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《华东理工大学》 2011年
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纳米二氧化钛光阳极材料控制合成及光电化学性能

邵玮  
【摘要】:染料敏化太阳能电池是一种具有应用前景的新型太阳能电池,经过近十几年的发展,相比于当前价格昂贵的固态同质和异质结太阳能电池,染料敏化太阳能电池已具备了相当的竞争力。染料敏化太阳能电池中,光阳极薄膜材料是电池的核心部分,决定着光生电子的传输,从而影响电池的效率。本论文从提高光利用率、改善电子传输及优化电池性能等角度出发,通过提高染料吸附、改变能带结构和复合薄膜电极结构设计等手段,设计合成了多种纳米二氧化钛光阳极材料,如单晶纳米片、钽掺杂纳米片、介孔球、介孔材料及具有介孔结构的六边形空心纳米片,深入研究了形成机理及其作为光阳极材料在染料敏化太阳能电池中的性能。 采用水热合成法,以四氯化钛为钛源、氟化铵为晶体结构和形貌控制剂,通过调节反应物浓度,控制合成了粒径260纳米、暴露高活性面(001)面达70%的锐钛相二氧化钛纳米片,并系统探讨了纳米片生长机理。研究发现,由于氟元素抑制了从锐钛相向金红石相的转变,从而生成了纯锐钛相的二氧化钛,且氟元素的钝化降低了(001)面的表面能,抑制了其生长,使高表面能的(001)面保留形成片状结构。利用制备的粒径260纳米的二氧化钛纳米片具有的单晶、高活性及片状尺寸等特点,将其作为光阳极的反射层,以粒径30纳米的小尺寸二氧化钛颗粒及商用P25二氧化钛分别为染料吸附层制备复合电极薄膜,紫外-可见漫反射结果表明复合结构电极薄膜能显著提高入射光利用率。组装染料敏化太阳能电池后发现基于复合结构电极薄膜的器件的光电转换效率较无散射层、仅小尺寸纳米颗粒为染料吸附层时光电转换效率提高了25.6%,较仅P25二氧化钛作为染料吸附层时的效率提高了10%。 通过在反应体系中引入醇、水界面,利用界面限域反应和协同作用机理,采用水解法分别控制合成了二氧化钛介孔材料及形貌规则、尺寸均一的介孔球结构,并对两种介孔结构的结构特征及形成机理进行了系统研究。研究发现,介孔球是由平均粒径8.3纳米的二氧化钛纳米晶粒取向聚集而成,晶粒之间互相接触的晶面为具有低表面能的(101)晶面,而非高表面能的(001)晶面。研究表明,反应体系中形成了正丁醇/硼酸水溶液的两相界面,随反应进行,钛酸正丁酯在界面区水解、缩水形成的无定形二氧化钛并熟化成二氧化钛纳米颗粒,不同的硼酸浓度影响钛酸正丁酯的水解及形成的二氧化钛纳米颗粒的运动状态,而界面区的球形微乳液滴可以作为形成的二氧化钛纳米颗粒的聚集中心。由于(001)晶面相对于(101)面更容易吸附反应溶液中解离的硼氧配阴离子致使其表面能下降,从而形成沿(101)面取向聚集,最终形成具有介孔结构、颗粒间取向聚集的二氧化钛介孔球。当无相界面存在时产物则为无规二氧化钛介孔材料,其比表面积为182.1m2·g-1。颗粒间的取向聚集有效降低了晶粒之间的接触位阻、减少晶界数量和电子捕获,有利于光生电子的传输,最终改善电池性能。基于二氧化钛介孔材料制备的薄膜电极显示出良好的光吸收性能,由于其高比表面积等结构特征,组装的染料敏化太阳能电池具有较高的短路电流(16 mA·cm-2)。但开路电压和填充因子较低,分别为0.67 V和0.49。这是由于二氧化钛基质中形成了部分Ti-O-B,硼的引入影响了二氧化钛的能带结构,降低了导带底的位置,从而降低了二氧化钛的平带能级与电解质氧化还原对的电势之差,得到较低的开路电压。但利用P25二氧化钛作为染料吸附层、无规二氧化钛介孔材料和介孔球作为光反射层制备的复合薄膜电极则显示出良好的电池性能,对于无规二氧化钛介孔材料,其性能为开路电压0.77 V、短路电流15.58 mA·cm-2、填充因子0.57、效率6.94%。而对于二氧化钛介孔球,其性能为开路电压0.75 V、短路电流17.00 mA·cm-2、填充因子0.61、效率7.79%。研究表明,这归因于介孔二氧化钛所具有的高的比表面积提高了薄膜的染料吸附能力,而介孔球适宜的形貌、尺寸等结构特征对入射光起到的漫反射提高了入射光的利用率。 以六边形的氢氧化镉纳米片为模板,常温下采用液相沉积反应制备了具有分层和分级孔结构的空心六边形锐钛相二氧化钛纳米片,并对其形成机理及结构(层数)控制进行了系统研究。研究表明,氟钛酸铵水解、缩水形成的二氧化钛纳米颗粒原位在氢氧化镉纳米片表面上沉积,而反应生成的H+则将氢氧化镉纳米片溶解,从而形成空心结构。研究发现可通过反应循环而实现多层壳层结构的二氧化钛空心结构的控制合成。制备的空心六边形二氧化钛所具有的独特的孔结构,即二氧化钛纳米颗粒间的堆积孔、层间距、纳米片空腔,使其表现新颖的性质,有望在药物缓释、光催化、催化剂载体、能源等领域有良好的应用前景。将制备的具有空心六边形分层结构的介孔纳米二氧化钛作为染料敏化太阳能电池的光散射层,考察了材料结构对电池性能的影响。研究表明该结构大大增加了入射光的路径和在薄膜中的停留时间,提高了染料受光照激发的几率,有效提高了薄膜对于光的吸收效率,组装的基于二氧化钛空心六边形纳米片/P25二氧化钛复合薄膜电极电池的光电转换效率提高24%。 通过掺杂改变二氧化钛能级结构从而获得具有高开路电压的染料敏化太阳能电池器件。采用水热合成制备了钽掺杂、暴露高活性(001)面的锐钛相二氧化钛纳米片。研究发现,钽掺杂未能改变二氧化钛纳米片的形貌,产物仍为暴露高活性(001)面的纳米片状结构。研究表明,五价钽进入基质晶格后,产生施主能级,且五价钽有效促进电子-空穴对的分离、抑制光生载流子复合,同时起到增大短路电流的作用。掺杂后,二氧化钛纳米片薄膜电极的平带电位从-0.383 V负向移至-0.425 V,增加了平带电位与I-/I3-氧化还原对的电势差,从而获得了高达0.82 V的开路电压。组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到6.27%。
【学位授予单位】:华东理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.1

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 于仙仙;胡志强;高岩;王一;李国;;染料敏化太阳能电池阳极改性技术研究进展[J];材料导报;2007年03期
2 张莉,任焱杰,蔡生民;染料敏化La~(3+)掺杂的TiO_2纳米多孔膜光电化学[J];电化学;2002年01期
3 李丽;张贵友;陈人杰;Dorina Walther;陈实;吴锋;;染料敏化太阳能电池用TiO_2薄膜电极的改性制备及光电化学性能[J];高等学校化学学报;2009年11期
4 ;Light scattering characteristic of TiO_2 nanocrystalline porous films[J];Chinese Science Bulletin;2003年09期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李大成,周大利,刘恒,张萍,张云,龚家竹;纳米TiO_2的特性[J];四川有色金属;2002年03期
2 任成军,李大成,钟本和,周大利,刘恒,龚家竹;影响TiO_2光催化活性的因素及提高其活性的措施[J];四川有色金属;2004年04期
3 田维;张洪林;蒋林时;;纳米TiO_2光催化材料的制备及研究进展[J];四川有色金属;2006年04期
4 钱翼清,赵平,王卫华;烷基化纳米SiO_2/MMA乳液聚合物及其对PC的改性研究[J];工程塑料应用;2002年01期
5 王孝军,杨杰,龙盛如;纳米材料及其在工程塑料改性中的应用[J];工程塑料应用;2002年10期
6 刘建林,肖久梅,史孝群,龚春秀,马文江;纳米CaCO_3填充环氧树脂分散技术及力学性能研究[J];工程塑料应用;2003年03期
7 惠雪梅,张炜,王晓洁;环氧树脂/SiO_2,纳米复合材料性能的研究[J];工程塑料应用;2004年02期
8 安骏,吴海霞,辛寅昌;防高能辐射的树脂/纳米铅复合材料的制备及研究[J];工程塑料应用;2004年12期
9 郑海忠,张坚,鲁世强,徐志锋;选区激光烧结制备PS/Al_2O_3纳米复合材料的研究[J];工程塑料应用;2005年09期
10 安骏;刘吉华;辛寅昌;;树脂纳米铈防辐射复合材料的制备及其性能研究[J];工程塑料应用;2006年08期
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1 乐士儒;栾野梅;安茂忠;;电沉积银纳米膜的光学性质研究[A];2004年全国电子电镀学术研讨会论文集[C];2004年
2 滕伟;李新勇;肇启东;熊巍;陈国华;;光催化剂Ag_3PO_4/Ag的合成及其在染料废水处理中的应用[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
3 杨黎明;VPW Shim;陈锋;龚明;;用高应变率大应变载荷制备纳米晶铜试件[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年
4 王金相;张晓立;王经涛;赵铮;;爆炸加载制备纳米晶铜实验研究[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(下册)[C];2009年
5 王金相;周楠;赵铮;王小绪;杭逸夫;;爆炸载荷下纳米晶铜晶粒度分布及影响因素研究[A];第六届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集[C];2010年
6 李春霞;李立平;酒金婷;王柏华;;纳米粒子的表面改性研究进展[A];第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2002年
7 李星国;;纳米材料研究及其应用[A];第三届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2003年
8 张永文;陈英;;含纳米ZnO抗紫外整理剂的制备及性能研究[A];第四届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2004年
9 王敏;;纳米材料在丝绸文物保护上的应用[A];第四届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2004年
10 王东;路建军;齐宏进;;防水透湿织物上碳氟膜的纳米结构及均匀性的初步研究[A];第六届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2006年
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2 王德广;金属粉末高致密化成形及其数值模拟研究[D];合肥工业大学;2010年
3 刘斌;二氧化钛光催化材料的掺杂改性及其对气体污染物净化性能的研究[D];兰州大学;2010年
4 夏明霞;高结晶度一维纳米二氧化钛的制备和修饰及光电性质研究[D];湖南大学;2010年
5 赵世华;ZnO纳米阵列的制备和稀土掺杂工艺及其发光性能的研究[D];湖南大学;2010年
6 孙松;TiO_2基光催化剂的制备、结构及光催化降解VOCs性能与机理研究[D];中国科学技术大学;2010年
7 周红洋;硫属化合物纳米材料的可控性合成与表征[D];中国科学技术大学;2010年
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3 齐天骄;铟锡氧化物纳米微粒表面修饰研究及其悬浮液的制备[D];中国工程物理研究院;2010年
4 王青尧;锑基纳米材料的水热法制备及表征[D];山东科技大学;2010年
5 田维亮;线切割废砂浆制备白炭黑及改性研究[D];山东科技大学;2010年
6 尹永琦;多端耦合量子点体系量子输运特性的研究[D];哈尔滨师范大学;2010年
7 谭鑫鑫;稀土离子掺杂纳米晶ZrO_2-Al_2O_3复合粉体的制备及发光性质的研究[D];哈尔滨师范大学;2010年
8 甘自保;贵金属及其合金/碳纳米管复合材料的制备与表征[D];哈尔滨师范大学;2010年
9 赵紫军;(MCM-41)-La_2O_3纳米复合材料的制备、表征及光学性质研究[D];长春理工大学;2010年
10 薛江;一维纳米材料的静电纺丝法制备、表征及性能研究[D];长春理工大学;2010年
【二级参考文献】
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1 王爱坤,周国香,杨韧,李国昌;梯度掺杂对太阳能电池转换效率的影响[J];半导体技术;2003年09期
2 刘志强;李先国;冯丽娟;;二氧化钛薄膜的改性技术研究进展[J];表面技术;2006年01期
3 郝三存,吴季怀,黄昀昉,范乐庆;染料敏化纳米晶TiO_2太阳能电池研究进展[J];材料导报;2003年07期
4 赵高凌,施永明,叶宏伟,韩高荣;Ti_(1-x)V_xO_2薄膜的制备及光电性能[J];材料研究学报;2002年01期
5 吴凤霞,殷海荣,杨勇,王水庆;CdS敏化TiO_2薄膜的制备和光电转换性质的研究[J];佛山陶瓷;2001年06期
6 柳闽生,杨迈之,郝彦忠,余赪,蔡生民,李永舫;纳米尺度TiO_2/聚吡咯多孔膜电极光电化学研究[J];高等学校化学学报;1997年06期
7 杨华,袁坚,赵兹君;TiO_2半导体薄膜电极的光电转换性能研究[J];硅酸盐通报;2004年01期
8 刘超;杨良准;杜立芬;余锡宾;吴振华;;不同金属离子掺杂TiO_2薄膜的制备及光催化活性的研究[J];工业催化;2006年01期
9 孔凡太,戴松元,王孔嘉;染料敏化纳米薄膜太阳电池中的染料敏化剂[J];化学通报;2005年05期
10 ;Chemical treatments of the nanocrystalline porous TiO_2 electrodes[J];Chinese Science Bulletin;2000年21期
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1 李春燕,李懋强;TiO_2的溶胶-凝胶过程研究[J];硅酸盐学报;1996年03期
2 王飞;陈苗;;氧化钛对镁质浇注料抗渣侵蚀性能的研究[J];黑龙江科技信息;2011年17期
3 张青红,高濂,郭景坤;四氯化钛水解法制备纳米氧化钛超细粉体[J];无机材料学报;2000年01期
4 冷文华,张昭,成少安,张鉴清,曹楚南;直接热氧化制备氧化钛薄膜电极的研究 Ⅰ .制备、结构和电化学性质[J];化学物理学报;2001年06期
5 张庆庆,汤斌,王进,吴俊;光催化过程中氧及过氧化氢对氧化钛的效应[J];安徽机电学院学报;2001年04期
6 陈海珍;纳米氧化钛-乙二醇溶胶溶液的研究[J];宁波大学学报(理工版);2004年04期
7 张威;李和平;黄思雅;潘伟;;静电纺丝Ag-TiO_2复合纳米纤维的制备和表征[J];稀有金属材料与工程;2011年S1期
8 黄振奇,杨祖磐,郭庭虎;含氧化钛高炉型渣中氧化镁对脱硫的影响[J];东北大学学报(自然科学版);1987年03期
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1 卫国;氧化钛瓷砖不让楼宇外墙灰蒙蒙[N];中国建材报;2004年
2 燕希东;循环当先 绿字先行[N];中国有色金属报;2010年
3 张海波;日本拟提高氧化钛出口价格[N];国际经贸消息;2002年
4 刘霞;氧化钛一结晶形式可成超级储存材料[N];科技日报;2010年
5 丹华;赋予建筑永恒的“绿”[N];中华建筑报;2008年
6 罗海基;住友化工开发出可见光型氧化钛光催化剂[N];中国有色金属报;2003年
7 飘尘;2006年世界二氧化钛需求平稳[N];中国有色金属报;2006年
8 王迅;锆铪应用领域不断拓展[N];中国有色金属报;2007年
9 潘廷祥;钛:钛白钛黑都是美(下)[N];中国有色金属报;2006年
10 红志;光催化技术大显身手[N];中华建筑报;2003年
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1 李玮琨;二氧化钛结构和催化性质的密度泛函理论研究[D];华东理工大学;2014年
2 姜艳军;基于仿生钛化和自组装的酶固定化载体设计与制备[D];天津大学;2009年
3 丁新更;银离子掺杂纳米二氧化钛粉体的制备、性能研究与应用[D];浙江大学;2002年
4 薛寒松;稀土掺杂二氧化钛纳米管模板法制备及光催化性能研究[D];重庆大学;2008年
5 石建英;半导体光催化材料光致发光光谱的研究[D];中国科学院研究生院(大连化学物理研究所);2007年
6 王向晖;改善热解碳人工心脏瓣膜材料血液相容性的研究[D];中国科学院上海冶金研究所;2000年
7 叶季蕾;用于乙醇水蒸气重整Ni/Ce-M-O(M=Zr,Ti,La)催化剂的研究[D];天津大学;2008年
8 张雪军;分级介孔/大孔金属有机膦酸盐杂合材料:合成、表征和性能[D];南开大学;2009年
9 符韶鹏;1.表面涂层提高左心辅助装置血液相容性的基础研究 2.提高女性冠脉旁路移植术疗效的注册登记研究[D];中国协和医科大学;2009年
10 郑琳;富G核酸模板引导纳米材料的制备及应用研究[D];天津大学;2010年
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1 陈然;硅质壳/氧化钛复合材料的制备及其在太阳能电池中的应用[D];中国海洋大学;2013年
2 许灵艳;氧化钛色谱基质填料的评价及应用[D];华东理工大学;2011年
3 周烁;氧化钛材料与血浆关键蛋白质的界面反应行为及与凝血的关系[D];西南交通大学;2012年
4 张健;氧化钛修饰层的制备及其对聚合物太阳能电池性能的影响[D];北京交通大学;2012年
5 陈维维;MCM-41/MIL-101表面氧化钛改性材料的合成、表征及性能研究[D];陕西师范大学;2013年
6 李媛媛;复合纳米二氧化钛材料的制备、表征及光催化性能的研究[D];宁夏大学;2014年
7 张海玲;氧化钛及掺杂氧化硅介孔材料的合成与性能研究[D];华南理工大学;2011年
8 杨哲昭;云母负载氧化钛合成工艺及光催化性能的研究[D];华南理工大学;2013年
9 俞少峰;氧化钛,氧化硅纳米管及球形粒子的制备研究[D];浙江大学;2005年
10 李霞;磷修饰介孔氧化钛的合成、表征及应用[D];河北工业大学;2011年
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