改进型溶胶-凝胶法制备粒径可调高染料吸附量TiO2微球及其在染敏电池光散射层中的应用

利用改进型的溶胶-凝胶法,制得了由锐钛矿相纳米颗粒组成的TiO2多孔微纳小球。通过调节前驱物浓度,合成出粒径可控的尺寸分别为100,175,225,475 nm的TiO2微纳小球,并通过电泳沉积法将合成出的小球作为光散射层引入到染料敏化太阳电池(DSSC)中。由于这种微纳小球在具备良好的光散射性能的同时也具备较高的染料吸附量,因此相较于基于纳米颗粒的单层结构的DSSC拥有更高的光电转换效率。通过比较分析,粒径尺寸为475 nm的微球作为光散射层的DSSC光电转换效率可以达到6.3%,较之于基于纳米颗粒的DSSC提高了30%。     

双层结构CeO2光阳极在染料敏化太阳能电池中的应用

利用水热法合成核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球,制备了一系列双层结构复合光阳极并应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)。研究表明：当CeO₂纳米微球和核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球应用于DSSC光阳极散射层时,电池的光电转化效率有了显著提高。相对于纯 TiO₂ (P25)光阳极,P25/CeO₂纳米球光阳极电池的 DSSC 光电性能提高了 15.3%,P25/Au@SiO₂@CeO₂纳米球光阳极电池的光电性能提高了27.9%。DSSC光电性能的提高主要归因于2个方面：一方面,Au纳米粒子的表面等离子体共振效应有效提高了光阳极薄膜的光散射效应。另一方面,CeO₂具有较高的染料负载能力,核壳球形结构具有较高的比表面积,增强了光的散射效应,提高了电子传输能力。     

TiO2微球的合成及其作为散射层在量子点敏化太阳能电池中的应用

以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂,通过TiCl₄在乙醇水溶液中的直接水解,制备了介孔TiO₂微球. X射线衍射（XRD）结果表明所制备的微球晶型为金红石,扫描电镜（SEM）结果显示微球的直径大约为700 nm,由粒径约为16 nm的小颗粒堆积而成. 通过刮涂法制备了在TiO₂小颗粒层上涂覆有作为散射层的TiO₂微球和未涂覆微球的薄膜. 并通过化学浴沉积（CBD）的方法在膜上生长CdS/CdSe量子点,得到了量子点敏化太阳能电池（QDSCs）. 紫外吸收和漫反射结果表明,这种微球结构有利于量子点的沉积,具有较强的光散射作用,有效地增加了光线的收集,从而提高了电池的光电流,最终得到了4.5%的光电转换效率,比不加散射层的电池的效率高27.7%,也比利用传统散射层（由20 nm TiO₂ 小颗粒和400 nm TiO₂ 固体颗粒组成）的电池效率高10.2%. 我们把电池效率的提升归因于较强的光散射作用和较长的电子寿命.     

异形复层结构TiO2纳米棒薄膜的水热合成及性能

本文采用水热反应法,通过改变合成条件,经XRD和FESEM表征,证实合成了四方金红石相异形复层(阵列-团簇)结构的TiO₂薄膜。合成薄膜的下层是TiO₂的阵列,上层是团簇状的TiO₂,并且构成阵列和团簇的每个方柱又由多根纳米棒(25～65 nm)组成。上层团簇的生成量和厚度可以通过改变反应物的初始浓度、反应时间和生长基片的角度进行调控。将这种异形复层结构薄膜试用于染料敏化太阳能电池(DSSC)光阳极,发现其光电转化效率比单层阵列TiO₂薄膜提高了2.6倍。由此表明TiO₂这种以纳米棒为单元结构的异形复层薄膜,上层团簇结构有利于产生采光作用以及吸附微粒的作用,下层阵列结构有利于载流子的定向快速传输,其复合结构的形成,致使光电转换效果明显提高。     

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TiO₂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TiO₂微球电池的光电性能,利用TiO₂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 mW·cm^-2（1.5 G）光照条件下,短路光电流J_sc为17.64 mA·cm^-2,开路光电压Voc为0.74 V,填充因子FF为0.63和光电转化效率η为8.33%。相比TiO₂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。     

分级微纳结构ZnO空心球的制备及其光电转换性能

以醋酸锌为锌源,二甘醇为溶剂,通过一种改进的溶剂热法制备出具有分级微纳结构的ZnO空心球。X射线衍射(XRD),扫描电子显微术(SEM),N₂吸附脱附等表征结果显示此ZnO材料的初级结构为纳米颗粒,次级结构为该纳米颗粒构筑的微米级多分散小球。聚焦离子束(FIB)切割实验表明,小球内部为中空结构。这种新颖的复合结构应用于染料敏化太阳电池(DSSC)领域,有两大优势：其初级结构提供了大的比表面以吸附更多染料分子,同时其次级结构和孔结构可以起到光散射中心的作用,提高光的利用率,从而最终提高了电池的光电转换效率。     

简易模板剂法制备多级介孔TiO2微球及其在染料敏化太阳能电池中的性能

采用模板剂法一步合成分级结构的介孔TiO₂微球, 考察了烷基胺类模板剂中烷基链长度对介孔TiO₂微球合成及性能影响. 将其应用于染料敏化太阳能电池的光阳极半导体薄膜中, 得到了9.5%-10.1%的高能量转换效率. X射线衍射(XRD)、物理吸附仪(BET)、扫描电镜(SEM)等的分析结果表明: 分级结构介孔TiO₂微球的晶相为纯锐钛矿型; 介孔TiO₂微球表面粗糙, 的纳米粒子堆积形成, 使微球具有介孔性质和较适宜的比表面积. 介孔TiO₂微球堆积形成了利于物质扩散的通道并具有良好的光散射效果; 同时微球介孔粗糙表面保证了染料的大量吸附, 从而提高了电池的光电流. 通过电化学阻抗分析结果验证了分等级结构介孔TiO₂微球光阳极有利于电解液的传输和物质扩散的优异性能.     

表面活性剂对染料敏化太阳能电池光电性能的提高

在硝酸/醋酸(HNO₃/HAc)的水溶液中分别加入十二烷基苯磺酸钠(DBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、吐温20等不同类型的表面活性剂来水解钛酸四正丁酯制得前驱体溶液,通过水热法制备纳晶TiO₂,并组装成染料敏化太阳能电池(DSSC)。通过XRD、SEM和UV-Vis对纳晶TiO₂薄膜进行表征,并对DSSC进行光电流-光电压(I-V)曲线的测试,研究了不同类型的表面活性剂和不同浓度的CTAB对DSSC光电性能的影响。结果表明：加入阳离子表面活性剂CTAB时提高了DSSC的光电性能,而加入阴离子表面活性剂DBS和非离子表面活性剂吐温20时,DSSC的光电性能反而降低。随着CTAB浓度的增加,电池的光电性能先提高后下降,当c_CTAB=0.08 mol·L^-1时,DSSC的光电转化效率最高为5.76%,比不添加表面活性剂制备的纳晶TiO₂所组装的DSSC的光电转化效率提高了约18%。     

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TiO₂（NT）,将其作为光散射中心,与纳米晶TiO₂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 mA·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73.2 μmol·cm^-2降到70.1 μmol·cm^-2。这表明过量的大颗粒TiO₂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。     

氧化硅对金红石相纳米TiO2微结构的影响

通过硅酸钠水解生成的无定形氧化硅对金红石相纳米TiO₂进行修饰,利用红外光谱、紫外-可见漫反射光谱、X射线衍射、透射电镜和比表面仪对纳米TiO₂进行了表征。结果表明,氧化硅沉积在纳米TiO₂的表面和颗粒之间形成一个空间网络体系,有效地抑制了TiO₂晶粒尺寸和原始粒径的长大。当热处理温度低于700 ℃时,经氧化硅处理的纳米TiO₂的晶粒尺寸、原始粒径和比表面积几乎不变;当热处理温度高于700 ℃时,经氧化硅处理的纳米TiO₂的晶粒尺寸和原始粒径开始缓慢变大,比表面积快速下降,在900 ℃下煅烧2 h,经氧化硅处理的纳米TiO₂原始粒径仍为20～40 nm。氧化硅的存在使纳米TiO₂吸收紫外线的能力增强并使其平均孔径变小。     

电泳法制备具有{001}面TiO2纳米片分级球散射层的染敏太阳电池光电极

利用简便的溶剂热法,制得了由锐钛矿相的纳米片组成的、{001}面接近100%暴露的TiO2分级球形结构。利用电泳沉积法,将所得的TiO2分级球形结构作为散射层引入到染料敏化太阳电池(DSSC)中,并很好地保护了这种脆弱的分级结构。由于这种分级球形结构比TiO2纳米颗粒具有更好的染料吸附性能和光散射性能,使用这种TiO2分级球形结构作为散射层的DSSC达到了7.38%的光电转换效率,较之基于TiO2纳米颗粒的DSSC有了26%的提高。     

TiO2薄膜优化对染料敏化太阳电池性能的影响

纳米TiO2多孔薄膜微结构对染料敏化太阳电池(DSC)光伏性能有很大的影响。本文采用不同实验和测试方法研究和分析了溶胶-凝胶法制备纳米TiO2颗粒时的热处理温度、TiO2多孔薄膜厚度、纳米TiO2大颗粒光散射、TiCl4溶液处理和电沉积致密TiO2层对纳米多孔薄膜电极和染料敏化太阳电池光伏性能的影响,得到了最佳的优化条件,为纳米TiO2薄膜材料的批量化制作打下了良好基础。     

氮掺杂纳米多孔TiO2∶EDTA-Na2辅助水热合成及光催化性能

利用螯合剂乙二胺四乙酸二钠(EDTA-Na₂)作为致孔剂,以三氯化钛(TiCl₃)为前驱体,利用水热法直接合成了氮掺杂的纳米多孔TiO₂。通过 SEM、XRD、IR、低温N2吸附-脱附、XPS、热重分析(TG)和紫外可见(UV)光谱对样品进行了表征与分析。结果表明所合成TiO₂以锐钛矿相形式存在,氮掺在TiO₂晶面之间,具有典型的介孔结构和较高的比表面积,通过改变EDTA-Na₂的浓度,比表面积可控制在95~216 m²·g^-1之间。这种纳米多孔TiO₂在光降解甲基橙的实验中表现出很好的光催化活性,且随着EDTA-Na₂的浓度增大而逐渐增加。     

Synthesis of Hollow Mesoporous TiO2 Microspheres with Single and Double Au Nanoparticle Layers for Enhanced Visible‐Light Photocatalysis

A facile method was used to prepare hollow mesoporous TiO₂ and Au@TiO₂ spheres using polystyrene (PS) templates. Au nanoparticles (NPs) were simultaneously synthesized and attached on the surface of PS spheres by reducing AuCl₄^? ions using sodium citrate which resulted in the uniform deposition of Au NPs. The outer coating of titania via sol‐gel produced PS@Au@TiO₂ core–shell spheres. Removing the templates from these core–shell spheres through calcination produced hollow mesoporous and crystalline Au@TiO₂ spheres with Au NPs inside the TiO₂ shell in a single step. Anatase spheres with double Au NPs layers, one inside and another outside of TiO₂ shell, were also prepared. Different characterization techniques indicated the hollow mesoporous and crystalline morphology of the prepared spheres with Au NPs. Hollow anatase spheres with Au NPs indicated enhanced harvesting of visible light and therefore demonstrated efficient catalytic activity toward the degradation of organic dyes under the irradiation of visible light as compared to bare TiO₂ spheres.     

Fabrication of Ordered TiO2 Porous Thin Films by Sol-Dipping PS Template Method

Monolayer polystyrene spheres (∼400 nm) array templates were assembled orderly on clean glass substrates by dip-drawing method from emulsion of PS and porous TiO₂ thin films were prepared by using sol-dipping template method to fill TiO₂ sol into the interstices among the close-packed PS templates and then annealing to remove the PS templates. The effects of TiO₂ precursor sol concentration and dipping time in sol on the porous structure of the thin films were studied. The results showed pore size of the ordered TiO₂ porous thin film depended mainly on PS size and partly on TiO₂ sol concentration. The shrinkage of pore diameter was about 10% for 0.2 M and 20% for 0.4 M TiO₂ sol concentrations. X-ray diffraction (XRD) spectra indicated the porous thin film was anatase structure. The transmittance spectrum showed that optical transmittance of the porous thin film kept above 70% beyond the wavelength of 430 nm. Optical band-gap of the porous TiO₂ thin film (fired at 550^∘;C) was 3.12 eV.     

p-Aminophenylacetic acid-mediated synthesis of monodispersed titanium oxide hybrid microspheres in ethanol solution

Monodispersed TiO₂ hybrid microspheres were prepared via the hydrolysis of titanium isopropoxide (TTIP) in ethanol solution containing p-aminophenylacetic acid (APA). The effects of the APA:TTIP molar ratio, water content, reaction time and reaction temperature on the morphology of the resultant spheres were investigated. The products were characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, and X-ray diffraction. It was demonstrated that the diameters of the resultant TiO₂ spheres could be tuned in the range of 380–800 nm by changing the APA:TTIP molar ratio (1:3 to 3:1) and water content (1–3 v/v%) in the reaction medium, and that increasing the APA:TTIP molar ratio led to larger TiO₂ hybrid spheres while increasing the water content decreased their size. The loading content of APA in the hybrid spheres could reach 20 wt.% as they were prepared with the APA:TTIP ratio of 3:1. The possible formation mechanism of the hybrid spheres was also investigated. It was found that APA slowed down the hydrolysis rate of the titanium precursor so that resulted in the formation of the TiO₂ spheres. In addition, the APA present in TiO₂ spheres acted as a reducing agent to in situ convert HAuCl₄ into metallic Au on the surface of the TiO₂ spheres. The catalytic activity of the resultant Au/APA–TiO₂ composite was examined using transfer hydrogenation of phenylacetone with 2-propanol, and it was indicated that the catalyst displayed high efficiency for this reaction.     

Controllable hydrothermal synthesis of nanocrystal TiO2 particles and their use in dye-sensitized solar cells

A simple method for the controllable hydrothermal synthesis of nanocrystalline anatase TiO2(nc-TiO2) particles involving the selection of suitable organic alkali peptizing agents is reported.A dye-sensitized solar cell(DSSC) with square-like nc-TiO2 particles with side lengths about 8-13 nm-prepared using tetraethylammonium hydroxide(TEAOH)-in the photoelectrode showed higher photovoltaic performance than two other DSSCs with square-like nc-TiO2 particles with side lengths about 7-10 nm-prepared using tetrabutylammonium hydroxide-or elongated nc-TiO2 particles with lengths about 18-35 nm and width about 10 18 nm-prepared using tetramethylammonium hydroxide(TMAOH)-in the photoelectrodes.When a scattering layer prepared from sub-micron size spheres or cone-like nc-TiO2 particles-synthesized using a higher concentration of TMAOH-was added on top of the photoelectrode fabricated from nc-TiO2 synthesized with TEAOH,the energy conversion efficiency of the DSSC was markedly increased from 6.77% to 8.18%.