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基于超支化TiO_2纳米线薄膜的染料敏化太阳能电池研究

陆炜杰  
【摘要】:目前,天然气和煤等化石燃料是全世界使用的主要能源。随着我国经济的发展,对能源的需求量日益增加。化石燃料的使用释放大量CO2引起环境污染问题。太阳能作为清洁可再生能源受到越来越多的关注,染料敏化太阳能电池因其制作工艺简单和成本低而成为当前研究的热点。作为染料敏化太阳能电池光阳极,TiO_2纳米晶薄膜因其存在大量的晶界,不利于电子传输。而TiO_2纳米线薄膜由于具有直接的电子传输通道,能够减少电子的复合。本文利用溶剂热法在FTO导电基底上制备具有分级结构的超支化Ti O2纳米线薄膜。通过调控种子液浓度、反应温度、时间等条件考察其对超支化Ti O2纳米线薄膜生长的影响,探讨超支化纳米线生长机理。进一步将获得的TiO_2纳米线薄膜组装成电池,研究不同条件下制备的薄膜对器件光电性能影响规律。以不同种子液浓度对透明导电基底FTO进行预处理,再在管式炉中进行退火处理。结果表明,当种子液浓度为0.2 mol/L时,可制备致密且取向良好的超支化结构TiO_2纳米线薄膜。以不同晶种层条件制备的纳米线薄膜组装成电池并进行相应的光电性能表征,发现在种子液浓度为0.2 mol/L时,制备薄膜的电池光电转换效率最高,其值为6.89%。在0.2 mol/L种子液条件下对FTO进行种子层处理,以草酸钛钾为反应物,去离子水和二乙二醇为溶剂,分别通过调控温度和时间探索TiO_2纳米线生长过程。结果发现,这种分级结构的TiO_2纳米线在反应初期先生成纳米线,之后随着温度提升和时间增加,纳米线生长呈现分层结构。在温度为180°C,反应9 h时,薄膜致密性、取向及厚度同时达到最佳值,厚度约为7.5μm。为获得比表面积更高的薄膜,通过等比例增加草酸钛钾、去离子水、二乙二醇来实现增加反应液中总Ti源的数量,实现更多的Ti源参与反应,达到增加薄膜致密性和厚度的目的。结果表明,当反应液中草酸钛钾、去离子水、二乙二醇比例为0.6 g:15 mL:45 mL时,获得的薄膜厚度增加到9.5μm。由其制成的染料敏化太阳能电池光电转换效率达到7.41%。


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