TiO2纳米片/巢状分级结构纳米阵列薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

采用水热合成法在氟掺杂二氧化锡(FTO)导电玻璃基底上得到TiO2纳米阵列薄膜,并进一步通过NaOH溶液水热处理制备了由巢状纳米阵列及纳米片覆盖层构成的TiO2纳米阵列分级结构一体化薄膜.采用场发射扫描电镜(FE-SEM),X射线衍射(XRD),紫外-可见(UV-Vis)漫反射光谱和吸收光谱技术对TiO2薄膜的结构和性质进行表征.FE-SEM结果表明:分级结构TiO2薄膜膜厚为1.5μm,薄膜由一层纳米片覆盖层(约0.2μm高)和一层巢状纳米阵列层(约1.3μm高)组成.XRD谱图表明TiO2薄膜为锐钛矿相.UV-Vis光谱显示分级结构TiO2薄膜具有较强的光捕获能力和染料吸附能力.TiO2纳米片/巢状分级结构纳米阵列薄膜作为光阳极,可有效地提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率,其短路电流(Jsc)为7.79mA·cm-2,开路电压(Voc)为0.80V,填充因子(FF)为0.40,光电转换效率(η)为2.48%,其光电转换效率较TiO2纳米阵列薄膜提高了近10倍.     

基于二级结构TiO_2纳米晶光阳极的高效染料敏化太阳能电池

本文报道了一种新型的二级结构TiO2纳米晶(nano-TiO2)光阳极的简单制备方法及其在高效染料敏化太阳能电池中的应用.通过添加适量TiCl4异丙醇溶液到传统nano-TiO2浆料中,可生成微米级nano-TiO2聚集体.该二级结构能有效提高光阳极光谱吸收和散射性能及电子传输和收集效率.基于这种结构光阳极的染料敏化太阳能电池光电性能有显著提高.在光阳极中将6μm厚传统nano-TiO2膜用相同厚度nano-TiO2聚集体替换,电池光电转换效率由5.03%提高到7.30%.进一步增加nano-TiO2聚集体的厚度能制备出更高光电转换效率的电池.     

双层分等级TiO_2纳米线制备及其光伏性能研究

采用两步溶剂热反应制备了底层为分等级锐钛矿的TiO_2纳米线阵列,上层为分等级锐钛矿的TiO_2纳米线薄膜的双层结构电极.通过XRD和SEM对其组成和形貌进行了表征,并考察了纳米线薄膜对染料敏化太阳电池(DSSC)光伏性能的影响.实验结果表明,分等级锐钛矿的TiO_2纳米线作为DSSC的光阳极,光电转换效率为4.39%,其效率高于光滑的TiO_2纳米线光阳极电池效率(2.07%).     

光电化学水氧化用多孔单晶金红石TiO_2纳米棒阵列光阳极的设计和构建（英文）

光电化学电池(如染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池以及光电化学水分解电池)是实现太阳能转化及存储的有效手段之一.其中,光电极是光电化学电池的核心组成部分,它集光吸收、光生电荷输运及转移等决定光转化效率的关键过程于一身,因此构筑高活性半导体光电极以实现高效太阳能转化利用引起研究者广泛关注.多孔Ti O2纳米颗粒堆垛薄膜光阳极因具有大的比表面积,可提供更多的染料(量子点)担载和反应活性位点,在光电化学电池中表现出优异活性而被广泛研究.然而,TiO 2纳米颗粒间大量存在的晶界对光生电荷有较强的散射作用,降低了光生电荷的收集效率.英国牛津大学Snaith研究小组利用模板辅助水热过程首次获得了(001)晶面占优的多孔单晶锐钛矿Ti O2微米颗粒,这种多孔单晶Ti O2微米颗粒在具有大比表面积的同时,其单晶结构还能有效去除晶界对电荷的散射作用,因而具有优异的电荷输运特性.利用这种多孔单晶Ti O2微米颗粒组建的光阳极用于染料敏化太阳能电池中,展现出优异的太阳能光电转化性能.受该工作启发,各种形貌的多孔单晶Ti O2微米颗粒作为光催化剂和光电化学分解水用光阳极材料被广泛研究,并表现出优异活性.在单晶微米颗粒堆垛成的薄膜光电极中,虽然单个单晶微米颗粒中晶界对电荷的散射作用被有效抑制,但是单晶颗粒间的晶界仍然存在并影响光生电荷的收集效率.为了彻底抑制晶界对光生电荷的散射作用,每个单晶颗粒都应该贯穿整个薄膜,例如一维Ti O2纳米棒单晶阵列薄膜.虽然一维单晶阵列薄膜能够有效提高光生电荷的收集效率,但相对于多孔薄膜具有较小的比表面积,限制了担载染料(量子点)和反应位点的数量.为了增大TiO 2单晶纳米棒阵列薄膜的比表面积,目前主要的手段包括调控纳米棒长径比、表面修饰Ti O2纳米颗粒以及二次生长构建Ti O2枝晶阵列.本文首次提出通过制备多孔单晶Ti O2纳米棒单晶阵列薄膜来获得高比表面积和高光生电荷收集效率的光阳极,提高光电化学电池的效率.在透明导电薄膜(FTO)表面利用水热生长Ti O2纳米棒阵列薄膜之前,预先在FTO基体上沉积一层Si O2球密堆模板,Ti O2纳米棒单晶阵列在从FTO表面向上生长过程中,会将SiO 2球模板包裹进Ti O2纳米棒中,再通过碱溶液将Si O2球模板溶解,首次在FTO基体上原位生长出多孔单晶Ti O2纳米棒阵列薄膜.将所得多孔单晶金红石Ti O2纳米棒阵列薄膜作为光电化学分解水电池光阳极,其光电化学分解水活性相对于实心单晶金红石Ti O2纳米棒阵列提高了2.6倍.多孔单晶金红石Ti O2纳米棒阵列光阳极性能的提升可归因于:(1)多孔结构赋予多孔单晶金红石Ti O2纳米棒阵列薄膜更大的比表面积,可提供更多的反应活性位点;(2)多孔结构能够有效缩短单晶金红石Ti O2纳米棒中光生电荷体相输运距离,提高光生电荷的收集效率;(3)多孔结构通过对光多次反射吸收可有效增强光吸收,产生更多光生电荷参与水分解反应;(4)在制备过程中引入Si掺杂,导致多孔单晶金红石Ti O2纳米棒带隙扩大了0.1 e V,带隙增大归因于导带位置负移0.1 e V,光生电子具有更强的还原能力,光电流起始电位相应负移约0.1 V.     

有机染料敏化网状二氧化钛纳米纤维微孔膜太阳能电池研究

利用静电纺丝技术, 在TiO₂纳米粒子上电纺一层网状TiO₂纳米纤维微孔膜作为光散射层, 并在TiO₂纳米粒子中掺杂少量MgO以抑制电子和空穴的复合, 得到TiO₂纳米纤维/纳米粒子复合光阳极用于染料敏化太阳能电池. 将这种光阳极分别与有机三苯胺染料SD2, SD3或钌染料N719及鹅脱氧胆酸(CDCA)共敏化时, 在AM 1.5 (100 mW/cm²)的模拟太阳光照射下, 染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到6.35%～8.85%. 同时, 使用半固态电解质可以达到液态电解质90%的光电转换效率.     

TiO_2纳米管阵列的制备与稀土掺杂改性研究

在水相中采用阳极氧化法制备了高度有序的TiO2纳米管阵列。探讨了稀土掺杂和染料敏化等因素对TiO2纳米管光电性能的影响,并对样品分别进行了X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外吸收光谱(UV-V is)、荧光光谱(FS)和光电测试等性能测定。实验结果表明,通过稀土(Gd3+,La3+,Y3+)掺杂TiO2纳米管的光电性能都有所提升,其中Y3+掺杂的TiO2纳米管的光电效率和填充因子最高达到0.92%和0.59,Y3+掺杂后染料敏化TiO2纳米管太阳能光阳极的光电转换效率增加了近3.2倍。     

光电化学水氧化用多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极的设计和构建

光电化学电池(如染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池以及光电化学水分解电池)是实现太阳能转化及存储的有效手段之一.其中,光电极是光电化学电池的核心组成部分,它集光吸收、光生电荷输运及转移等决定光转化效率的关键过程于一身,因此构筑高活性半导体光电极以实现高效太阳能转化利用引起研究者广泛关注.多孔TiO2纳米颗粒堆垛薄膜光阳极因具有大的比表面积,可提供更多的染料(量子点)担载和反应活性位点,在光电化学电池中表现出优异活性而被广泛研究.然而, TiO2纳米颗粒间大量存在的晶界对光生电荷有较强的散射作用,降低了光生电荷的收集效率.英国牛津大学Snaith研究小组利用模板辅助水热过程首次获得了(001)晶面占优的多孔单晶锐钛矿TiO2微米颗粒,这种多孔单晶TiO2微米颗粒在具有大比表面积的同时,其单晶结构还能有效去除晶界对电荷的散射作用,因而具有优异的电荷输运特性.利用这种多孔单晶TiO2微米颗粒组建的光阳极用于染料敏化太阳能电池中,展现出优异的太阳能光电转化性能.受该工作启发,各种形貌的多孔单晶TiO2微米颗粒作为光催化剂和光电化学分解水用光阳极材料被广泛研究,并表现出优异活性.在单晶微米颗粒堆垛成的薄膜光电极中,虽然单个单晶微米颗粒中晶界对电荷的散射作用被有效抑制,但是单晶颗粒间的晶界仍然存在并影响光生电荷的收集效率.为了彻底抑制晶界对光生电荷的散射作用,每个单晶颗粒都应该贯穿整个薄膜,例如一维TiO2纳米棒单晶阵列薄膜.虽然一维单晶阵列薄膜能够有效提高光生电荷的收集效率,但相对于多孔薄膜具有较小的比表面积,限制了担载染料(量子点)和反应位点的数量.为了增大TiO2单晶纳米棒阵列薄膜的比表面积,目前主要的手段包括调控纳米棒长径比、表面修饰TiO2纳米颗粒以及二次生长构建TiO2枝晶阵列.本文首次提出通过制备多孔单晶TiO2纳米棒单晶阵列薄膜来获得高比表面积和高光生电荷收集效率的光阳极,提高光电化学电池的效率.在透明导电薄膜(FTO)表面利用水热生长TiO2纳米棒阵列薄膜之前,预先在FTO基体上沉积一层SiO2球密堆模板, TiO2纳米棒单晶阵列在从FTO表面向上生长过程中,会将SiO2球模板包裹进TiO2纳米棒中,再通过碱溶液将SiO2球模板溶解,首次在FTO基体上原位生长出多孔单晶TiO2纳米棒阵列薄膜.将所得多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜作为光电化学分解水电池光阳极,其光电化学分解水活性相对于实心单晶金红石TiO2纳米棒阵列提高了2.6倍.多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极性能的提升可归因于：(1)多孔结构赋予多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜更大的比表面积,可提供更多的反应活性位点;(2)多孔结构能够有效缩短单晶金红石TiO2纳米棒中光生电荷体相输运距离,提高光生电荷的收集效率;(3)多孔结构通过对光多次反射吸收可有效增强光吸收,产生更多光生电荷参与水分解反应;(4)在制备过程中引入Si掺杂,导致多孔单晶金红石TiO2纳米棒带隙扩大了0.1 eV,带隙增大归因于导带位置负移0.1 eV,光生电子具有更强的还原能力,光电流起始电位相应负移约0.1 V.     

水热法可控合成二氧化钛纳米晶及其在染料敏化太阳能电池中的应用

本文报道了水热法可控合成二氧化钛纳米晶及其在染料敏化太阳能电池中的应用.选择合适的有机碱胶化剂,能很好地控制二氧化钛纳米晶的生长,形成不同形貌和粒径的锐钛矿型二氧化钛纳米晶颗粒.染料敏化太阳能电池光电性能测试结果表明,以四乙基氢氧化铵为胶化剂合成的边长为8～13nm的正方形二氧化钛纳米晶构成的光阳极光电性能优于以四丁基氢氧化铵为胶化剂合成的边长为7～10nm的正方形二氧化钛纳米晶以及长18～35nm,宽10～18nm的长方形二氧化钛纳米晶构成的光阳极.用较高浓度的四甲基氢氧化铵胶化剂能合成球形或椭球形亚微米级二氧化钛颗粒,以其为散射中心在光阳极中构建散射层,染料敏化太阳能电池的光电转换效率能由6.77%提高到8.18%.     

二氧化钛纳米晶溶胶内渗透电极对染料敏化太阳能电池的光伏性能的提高

以自制的过氧钛酸(PTA)水溶液为前驱体,用水热法制备了透明锐钛矿相二氧化钛溶胶.无需有机添加剂可得到直径小于7 nm的棒状二氧化钛纳米晶溶胶.通过将溶胶内渗透到染料敏化太阳能电池(DSSCs)的多孔二氧化钛电极后,消除了多孔电极内的大孔并改善了电极内纳米晶之间的连通性.用扫描电子显微镜(SEM)和光学轮廓仪对溶胶内渗透后的光阳极进行了表征.结果表明:小颗粒棒状二氧化钛纳米晶附着在多孔的二氧化钛表面,填充了电极由于烧结产生的大孔,并在多孔的二氧化钛内部形成了有利于电子传输的网络结构.与未经处理的多孔电极相比,改性后的光阳极组装成染料敏化太阳能电池后光电转化效率提高了64%.     

TiO2纳米微球的制备及在染料敏化太阳能电池中的应用

以四氯化钛、盐酸为原料,制备出花状TiO_2纳米微球,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等测试方法,对样品的结构和形貌进行了表征。为了提高TiO_2微球电池的光电性能,利用TiO_2微球作为反射层构造了双层结构的薄膜电极,结果表明,双层结构染料敏化太阳能电池在100 m W·cm-2(1.5 G)光照条件下,短路光电流Jsc=17.64 m A·cm-2,开路光电压Voc=0.74 V,填充因子FF=0.63和光电转化效率η=8.33%。相比TiO_2微球制备的太阳能电池,双层结构染料敏化太阳能电池光电转化效率提高至5.3倍。最后对电极中染料的吸附量、电极的光散射性能和电池的电化学阻抗做了进一步研究和分析,研究表明,双层结构电池增强光的捕获能力,从而提高光伏性能。     

热分解法制备Fe_2O_3修饰的TiO_2纳米管阵列及其光电性能研究

为提高TiO_2纳米管阵列(TiO_2-NTs)的可见光活性,通过阳极氧化和热分解法制备了Fe_2O_3纳米粒子修饰的TiO_2纳米管阵列(Fe_2O_3/TiO_2-NTs)。通过扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光漫反射光谱(UV-vis DRS)等对产物进行了相关表征,同时测试了产物的光电性能及其光催化降解甲基橙的性能。结果显示,Fe_2O_3/TiO_2-NTs的光电流强度和光催化降解率分别是是TiO_2-NTs的19倍和8.7倍。     

热分解法制备Fe2O3修饰的TiO2纳米管阵列及其光电性能研究

为提高TiO_2纳米管阵列(TiO_2-NTs)的可见光活性,通过阳极氧化和热分解法制备了Fe_2O_3纳米粒子修饰的TiO_2纳米管阵列(Fe_2O_3/TiO_2-NTs)。通过扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光漫反射光谱(UV-vis DRS)等对产物进行了相关表征,同时测试了产物的光电性能及其光催化降解甲基橙的性能。结果显示,Fe_2O_3/TiO_2-NTs的光电流强度和光催化降解率分别是是TiO_2-NTs的19倍和8.7倍。     

TiO2/SnO2复合空心球在染料敏化太阳能电池中的应用

采用模板辅助法制备了SnO2/TiO2复合空心球,样品直径为1.5~4.0μm,比表面积达到了92.9 m^2·g^-1,复合空心球表现出优越的光散射性能.以这种复合空心球作为染料敏化太阳能电池的光阳极,电池的光电转换效率可达到7.72%,高于SnO2微米球(2.70%)和TiO2微米球(6.26%).此外,以锐钛矿型TiO2纳米晶作为底层,SnO2/TiO2复合空心球作为光散射层制备的双层结构光阳极,电池光电转换效率进一步提升至8.43%.     

MoS2/CNFs对电极膜厚对染料敏化太阳能电池性能影响

通过静电纺丝技术和水热法成功获得了碳纳米纤维负载二维层状硫化钼(MoS_2/CNFs),将其作为对电极组装的染料敏化太阳能电池(DSSCs)表现出优异的电化学特性。在DSSCs制备过程中,对电极膜厚对电池性能有很大影响,所以本文重点探究了喷涂法制备的对电极膜厚对其组装的染料敏化电池光电性能影响,获得最佳对电极膜厚。实验结果表明当MoS_2/CNFs复合对电极材料膜厚为8μm时,电池光电转换效率达到最大值7.78%。     

电荷分离型染料在固态染料敏化太阳能电池中的应用研究

染料敏化太阳能电池中的染料起到吸收光能和传导光生电子的作用,而染料的电荷分离状态能有效提高电子注入效率,抑制电荷复合,进而提高器件性能。本文以电荷分离(CS)型染料为敏化剂,采用spiro-OMeTAD为空穴传输材料制备了全固态染料敏化太阳能电池,分析了TiO_2光阳极膜厚的影响,当TiO_2光阳极膜厚为1. 2μm时,器件性能最优;探讨了染料结构对器件性能的影响,其中染料MTPABT-Pyc的器件性能最好,其光电流和效率分别为7. 38mA/cm~2和3. 06%。相比于电荷转移(CT)型染料MTPAcc,MTPABTPyc具有相近的捕光能力,但是其效率比MTPAcc (2. 64%)提高了16%。研究结果表明,CS型染料的电荷分离态对电荷复合的抑制和空穴的传输具有明显的优势。     

含有TiO2刺球散射中心光阳极的设计及其在染料敏化太阳能电池的应用

采用水热法制备了一种刺球状TiO_2(NT),将其作为光散射中心,与纳米晶TiO_2混合,制备成一种底层为P25薄膜(作为染料吸收层),上层为添加NT散射层的混合结构的薄膜光阳极。探讨了NT添加量对薄膜性能的影响,实验结果表明,当NT与P25粉体的质量比为35%时电池光电性能最优,电池短路光电流密度为14.30 m A·cm~(-2),其光电转换效率达到7.38%。质量比继续增大,当达到50%时电池性能有所下降,光电转换效率降为5.99%,同时染料吸附量也由73.2μmol·cm~(-2)降到70.1μmol·cm~(-2)。这表明过量的大颗粒TiO_2刺球散射中心会减少光阳极的比表面积从而降低染料的有效吸附量,并且还会引起不必要的反向散射,只有适量的散射中心才能得到最佳性能的太阳能电池器件。     

TiO2纳米管阵列及其应用

TiO2纳米管阵列作为一种新型的纳米TiO2材料,由于具有独特的阵列结构和优异的性能,引起了人们的极大关注.本文介绍了采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列的工艺条件、产物特性、形成机理,及其在氢传感器、光解水制氢、染料敏化太阳能电池与光催化降解污染物等领域的应用,分析了目前存在的问题,并提出了今后研究的对策.     

CdTe/CdS共敏化TiO2电极材料的制备与光电性能

将电沉积法和化学浴沉积法结合,分别将CdTe和CdS量子点纳米晶材料引入到TiO_2纳米管阵列上制备CdTe/CdS量子点共敏化TiO_2光电极。利用扫描电镜、X射线衍射和X射线能量色散光谱等测试手段对所得样品的形貌、晶型和组分进行表征。在模拟太阳光照射条件下,通过电化学工作站测试其光电化学性能。研究结果表明,相对于单一量子点敏化CdS/TiO_2和CdTe/TiO_2光电极而言,共敏化CdTe/CdS/TiO_2光电极表现出更好的光电转化性能,短路电流密度和光电转换效率分别可以达到3.1 m A·cm~(-2)和1.85%。此外,采用电化学阻抗测试技术对材料性能提升的原因进行深入的探究。     

方酸染料在染料敏化太阳能电池及氰离子检测中的应用研究

<正>染料敏化纳米晶二氧化钛太阳能电池制备简单、成本低、光电转换效率高,已成为当前光电转换器件研究的热点之一.但目前还有许多制约染料敏化太阳能电池光电转换效率的问题有待解决.基于目前染料敏化太阳能电池在长波区采光不足的问题,本论文深入研究了在红光区域具有强吸光能力的方酸类染料在染料敏化太阳能电池中的应用,重点考察了方酸染料的结构对其光电转换性质的影响,并开辟了一种协同敏化新技术,还利用方酸染料的β-环糊精包合物实现了水溶液中氰根离子的高选择性检测.具体研究结果如下:     

纳米氧化镍浓度对磁性准固态染料敏化太阳能电池的影响

以琼脂糖为聚合物基质,N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂,磁性纳米氧化镍颗粒作为添加剂用于制备染料敏化太阳能电池(DSSC)的磁性聚合物电解质。通过SEM与离子电导率测试研究不同纳米氧化镍掺杂浓度对磁性聚合物电解质的影响,并对相应的染料敏化太阳能电池进行光电性能测试与电化学交流组抗谱(EIS)测试,结果表明:1.0wt%的纳米氧化镍掺杂浓度为最优掺杂浓度,在此浓度下聚合物电解质的表面形貌较为平整,同时电解质具备最高离子电导率(2.43×10-3S.cm-1);染料敏化太阳能电池的光电效率与电子寿命均随着纳米氧化镍掺杂浓度的增加而先增加后降低,并都在纳米氧化镍掺杂浓度为1.0wt%达到最大,此时电池的光电效率为1.63%、开路电压为0.57 V、短路电流密度为5.8 mA.cm-2、填充因子为0.53。