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PEN表面TiO_2纳米结构的制备及光电性能研究

曹方旭  
【摘要】:传统的染料敏化太阳能电池(DSSC),通常是用透明导电玻璃作为基底。由于玻璃基底易碎和重量较大等原因,诸多研究者采用了易弯折、质量轻的聚合物作为DSSC光阳极的基底。本文以制备柔性TiO_2光阳极为研究目标,通过不同的方法制备了聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基底的TiO_2光阳极,并对制备方法的具体参数进行了优化,研究其对TiO_2光阳极及其DSSC性能的影响。本文首先以涂覆法制备的TiO_2纳米颗粒光阳极为基础,对TiO_2浆料的制备工艺进行了优化,制备了TiO_2纳米线、氧化石墨烯(GO)和TiO_2纳米线/GO修饰的TiO_2纳米颗粒光阳极,并采用机械加压法对光阳极进行处理,研究了添加量以及压强值对光阳极及DSSC性能的影响。研究结果表明,以小颗粒凝胶为添加剂制备的TiO_2浆料性能最佳,纳米线、GO修饰光阳极以及机械加压法均可以增加光阳极的电子传输速率及DSSC的光电性能,经过GO修饰并进行机械加压处理后的DSSC获得了最高的光电转换效率5.22%。其次,采用溶剂热的方法在PEN表面原位合成TiO_2纳米结构,系统的研究了溶剂热反应参数(反应温度、反应时间、草酸钛钾添加量和溶剂配比)对光阳极形貌、结构以及其组装的DSSC光电性能的影响。在最佳溶剂热参数的基础上,研究了PEN基底的前处理参数(钛源种类、制备方法、晶化时间以及晶化条件)对溶剂热制备TiO_2纳米结构以及DSSC性能的影响。结果表明,经过旋涂法制备异丙醇钛晶种层并水热处理后的PEN基底,可以在145°C的条件下溶剂热(0.002mol草酸钛钾,H2O:PEG=1:1)反应12h原位生长出TiO_2纳米阵列结构,由其组装的DSSC的光电转换效率可以达到1.49%。最后,采用了膜转移法将钛片表面的TiO_2薄膜转移至PEN表面,以解决涂覆法和溶剂热法制备的TiO_2纳米结构的结晶性较差和形貌不可控制的问题。研究了转移过程中的压强值和TiO_2形貌对电池性能的影响,对比了转移前后DSSC性能的变化。结果表明,膜转移法能够在PEN表面获得结晶性好形貌可控的TiO_2,并且转移后获得的DSSC的光电性能有了明显的提高。转移后的TiO_2纳米颗粒光阳极组装的DSSC获得了最高的光电转换效率5.84%,同时经过纳米颗粒修饰的TiO_2纳米树枝结构DSSC也获得了4.82%的光电转换效率。


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