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TiO_2纳米管阵列的可控制备及其光电转化性能研究

解玉龙  
【摘要】:TiO2纳米材料由于具有资源丰富、安全无毒、环境友好、化学性质稳定等优点而被广泛应用于自清洁材料、介电材料、传感器、光催化和染料敏化太阳能电池等领域。近年来,TiO2纳米管及纳米线因其具有较大的比表面积和优异的一维特性而广泛应用于染料敏化太阳能电池和光催化领域。本论文主要研究了不同形貌的TiO2纳米管阵列的可控制备,并探讨了所制备的TiO2纳米材料的光电性能,以及影响光电转化效率的因素。具体研究工作如下: 1.通过电化学方法制备了TiO2/ZnO纳米管阵列,并将其应用于染料敏化太阳能电池中。与单纯的TiO2纳米管阵列相比,我们制备的TiO2/ZnO纳米管阵列表现出更好的光电转化效果,可以作为染料敏化太阳能电池的高效光阳极。用TiO2/ZnO纳米管阵列作为光阳极制备的染料敏化太阳能电池其能量转换效率可以达到2.8%。 2.使用电流调制阳极氧化的方法制备了具有高度周期性形貌的TiO2纳米管阵列。与传统的恒电压和电压调制阳极氧化相比,电流调制阳极氧化能够在氧化过程中更好地控制管的形成,从而导致在整个管长范围内都能够得到更均匀一致的竹节状形貌的纳米管。我们通过不同的电流脉冲信号得到了不同结构的Ti02纳米管阵列,这显示了这种方法在制备三维结构的TiO2纳米材料中具有很大的应用潜力。这种电流调制阳极氧化方法制备的TiO2纳米管可以应用于光伏器件中,能够显著提高光电转化效率。 3.通过电泳沉积的方法在阳极氧化制备的TiO2纳米管薄膜上再沉积一层Ti02纳米颗粒,并将形成的复合电极应用于染料敏化太阳能电池中。结果显示,TiO2 NP+Ti02 NT/Ti复合电极的电子寿命明显延长,电荷收集效率提高。此外,在TiO2纳米管阵列上电泳沉积的Ti02纳米颗粒,增大了电极的比表面积,从而增加了染料的吸附量;而TiO2纳米管提高了电荷收集和传输的性能,从而进一步提高了电池的性能。因此,TiO2 NP+TiO2 NT/Ti复合电极可以提高染料敏化太阳能电池的性能,显示了TiO2纳米粒子与TiO2纳米管二者之间的协同效应。 4.我们利用水热法在FTO基底上制备了TiO2纳米棒阵列。然后通过化学水浴沉积的方法将CdS与CdSe纳米粒子依次沉积到Ti02纳米棒表面,制备了CdS和CdSe共敏化的TiO2纳米棒阵列电极。在所制备的量子点敏化太阳能电池中,电荷传输与复合速率大小顺序依次为:TiO2 NR/CdS/CdSeTiO2 NR/CdSTiO2 NR。此外,TiO2 NR/CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池具有更高的光捕获效率和较好的电子注入效率。在电荷传输过程中载流子复合几率的降低,导致了电荷传输阻抗的减小和电子传输效率的提高,从而使电池转化效率和光催化效率得到了显著提高。 5.制备了TiO2纳米管/P3HT固态太阳能电池,通过CdS, CdSe量子点依次敏化TiO2纳米管,使光谱吸收范围拓宽,电荷复合减小,电池转化效率提高。该结构具有以下优点:TiO2纳米管阵列垂直于基底;CdS和CdSe量子点敏化TiO2纳米管使其光谱吸收范围拓宽至可见光区域;P3HT均匀渗透在TiO2纳米管阵列中可以高效的吸收光子。我们制备的固态太阳能电池表现出较宽的光谱响应,CdS和CdSe量子点敏化后其IPCE提高到13%。CdS和CdSe量子点的敏化后TiO2纳米管/CdS/CdSe/P3HT固态混合型太阳能电池的转化效率得到了提高。


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