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敏化纳晶TiO_2薄膜电极的制备及性能研究

张含平  
【摘要】: 近年来,敏化太阳能电池以其优良的性能和低廉的成本,以及分子水平上的可设计性而引起全世界研究人员的关注。TiO_2半导体材料具有优异的性能和成本低廉以及对环境无污染的特点,成为太阳能电池的重要组成部分。 本论文主要工作之一,是在溶胶-凝胶法和水热法制备TiO_2胶体溶液的基础上,利用丝网印刷技术制备TiO_2薄膜电极:并对制备TiO_2薄膜电极的工艺条件进行了研究,以优化纳晶TiO_2多孔薄膜的微结构,得到性能良好的纳晶TiO_2多孔薄膜电极,使其组装的太阳能电池具有较高的光电转换效率。本论文主要工作之二,是用化学沉积法制备窄带隙纳米微粒CdSe,以敏化丝网印刷制备的TiO_2薄膜电极,为新型高效光电化学电池的应用开辟方向。 在溶胶-凝胶法和水热法制备TiO_2胶体的基础上,利用丝网印刷技术制备纳晶TiO_2多孔薄膜电极,对增稠剂乙基纤维素以及三种表面活性剂松油醇、聚丙烯酸甲酯、TX-100与TiO_2胶体之间的质量比例进行了优化,并利用XRD、SEM、TEM、N2吸附-脱附、XPS和紫外-可见分光光度仪对TiO_2纳晶多孔薄膜的晶型、粒径、比表面、表面结合态和吸收光谱进行了表征分析。采用有机染料对TiO_2纳晶薄膜进行敏化后,在光强为100mW/cm~2的条件下,由TiO_2薄膜电极组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率可达6.9%,显示了良好的光电化学性能。化学修饰对纳晶TiO_2多孔薄膜电极的光电性能产生很大的影响。研究发现,经过TICl_4修饰处理后可以增加TiO_2薄膜电极的表面粗糙度和染料吸附量,使光电转换效率得到了进一步的提高,其光电转换效率可达7.59%。 采用化学沉积法在TiO_2纳晶薄膜电极表面制备了窄带隙纳米微粒CdSe,对丝网印刷制备的TiO_2纳晶薄膜电极进行敏化处理,制备了TiO_2/CdSe薄膜电极;同时利用XRD、SEM、EDS、TEM、XPS和紫外-可见分光光度仪对TiO_2/CdSe复合薄膜电极的晶型、粒径、元素组成、表面结合态和吸收光谱进行了表征分析。结果表明CdSe敏化TiO_2多孔薄膜后增加了对可见光的吸收作用和光生载流子的输运速度,减少了CdSe上光生载流子的复合,改善了电极内光生电荷的传递特性,使阳极光电流稳定性明显提高,并获得具有较大增幅的稳态光电流,这种薄膜电极改进后可用于制作敏化太阳能电池的光电极。


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