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染料敏化二氧化钛薄膜电极的制备及其光电性能研究

高峰  
【摘要】:染料敏化TiO_2纳米晶太阳能电池(DSC电池)是一种新型光化学太阳能电池,它制作工艺简单、成本低和性能稳定,并对环境友好,具有很好的应用前景。它在太阳能电池研究上具有重要意义。本文通过溶胶—凝胶法制备了纯TiO_2和掺杂TiO_2薄膜电极,利用XRD、SEM、热重—差热分析和紫外—可见吸收光谱对薄膜的晶型、表面形貌、相变温度和光学性能进行了研究。通过天然色素对薄膜电极进行敏化,并对其光电性能进行了测试。制备出了光电转化率为1.01%的TiO_2薄膜电极。 通过正交试验,优化溶胶—凝胶法制备TiO_2薄膜的工艺参数,实验结果表明,制备的TiO_2薄膜为锐钛矿结构,在(101)面具有一定的择优取向:得出最佳配比为乙醇:钛酸四丁脂:去离子水:二乙醇胺为70:12:1:4,该配比所制备的薄膜具有较好的光电性能。在制备纯TiO_2薄膜时,实验发现硝酸浓度对TiO_2薄膜电极的晶相结构和结晶性能没有影响,却对TiO_2薄膜电极的光电性能有影响。 本文对影响TiO_2薄膜电极性能的热处理温度、保温时间、聚乙二醇和催化剂等因素进行了研究。研究结果表明,聚乙二醇的含量和热处理温度对TiO_2薄膜的微观结构均有影响,TiO_2薄膜的气孔率随PEG的加入量的增多而增大,并制备出开路电压562mV,开路电压233μA,光电转化率为0.89%的TiO_2薄膜电极。 XRD测试结果表明,在金属离子掺杂TiO_2的XRD谱中,均没有发现掺杂金属氧化物的衍射峰,所制备的TiO_2且均为锐钛矿结构,在(101)面具有一定的择优取向;通过对掺杂TiO_2的热重—差热曲线分析,可发现金属离子掺杂的TiO_2相变温度均得到不同程度降低;通过SEM观察到,Cu~(2+)掺杂的TiO_2在热处理时表面出现了龟裂,Fe~(3+)和Zn~(2+)掺杂的TiO_2的表面都比较平整致密。金属离子掺杂的TiO_2薄膜电极与纯TiO_2薄膜电极相比,Zn~(2+)掺杂的TiO_2薄膜电极提高了光电性能,开路电压达到702mV,短路电流达到417μA,光电转化率为1.01%;实验发现,掺杂Fe~(3+)和Cu~(2+)并不能提高TiO_2薄膜电极的光电性能。


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