TiO2纳米管的制备和表征及其在染料敏化太阳能电池的应用研究

TiO2纳米管

上海交通大学

硕士学位论文

TiO<,2>纳米管的制备和表征及其在染料敏化太阳能电池的应用

研究

姓名：杨旭一

申请学位级别：硕士

专业：@

指导教师：黄其煜

20081201

TiO2纳米管

TiO2纳米管的制备和表征及其在染料敏化太阳能电池的应用研

究

摘 要

染料敏化太阳能电池(DSSC)因为制作简单、成本低廉和潜在的高光

电转换效率成为太阳能电池一个重要研究方向，具有广泛的应用前景。

TiO2薄膜电极的性质是决定DSSC光电转换效率最重要的因素，而薄膜

的性质又与构成薄膜的TiO2的结构、晶型以及微观尺寸等因素有关。

本论文通过制备具有规则结构的TiO2纳米管阵列，代替了传统不规

则的TiO2多孔膜，增大了TiO2薄膜的染料吸附面积，并且允许光生载流

子沿纳米管长度方向上快速传导，同时减少了纳米颗粒边界处的电荷损

失，降低了电子的复合几率，使光子的捕获效率增强，从而提高DSSC

的光电转换效率。

本论文采用阳极氧化法制备TiO2纳米管薄膜电极，研究有机电解液

组成、电解液粘度、氧化电压、氧化时间以及退火温度等因素对纳米管

的微观结构、晶型和性能的影响，并探讨了基于不同基底的TiO2生长的

阳极氧化反应。进一步分别配制染料溶液和电解质，热塑封装太阳能电

池，研究其光电转换性能。组装的DSSC光电转换效率为1.21%，开路

电压为0.781V，短路电流为3.67mA，填充因子为0.422。在此基础上，

结合本论文的研究工作，提出了对TiO2纳米管染料敏化太阳能电池的改

进建议。

关键词：染料敏化，太阳能电池，TiO2，纳米管，阳极氧化

I

TiO2纳米管

FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF TiO2 NANOTUBES

FOR THE DYE-SENSITIZED SOLAR CELL APPLICATION

ABSTRACT

Due to its simple-fabrication, low cost and potential high efficiency,

dye-sensitized solar cell (DSSC) becomes a significant research subject for

the solar energy. The properties of TiO2 electrode film are the most important

factors that affect photo-to-electric conversion efficiency of DSSC, which

include the different structures of TiO2, different phase and sizes of TiO2

nanotubes.

In this paper, TiO2 nanotubes with regular microstructure, instead of the

conventional porous film composed of TiO2 powder, were fabricated, which

can increase the area of dye molecules adsorption, improve the velocity of

photogenerated carriers in the length direction of nanotubes, reduce the

recombination probability, and enhance the capture efficiency of photons.

TiO2 nanotubes were fabricated by anodic oxidation in this paper. The

possible affecting factors, included the composition of organic electrolyte,

viscosity of electrolyte, anodic voltage, oxidation time and annealing

temperature, were investigated. Furthermore, the anodic oxidation on

different base materials was discussed. After dye sensitizing and

thermoplastic packaging, the photo-to-electric conversion properties of the

assembled DSSC were studied. The illuminated DSSC showed an AM 1.5

short-circuit current 3.67mA, 0.781V open circuit potential and a 0.422 fill

factor yielding a solar conversion efficiency of 1.21%.

KEYWORDS: dye sensitizing, solar cell, TiO2, nanotubes, anodic oxidation

II

TiO2纳米管

图片目录

图1- 1 各种太阳能电池的实验室最高效率汇总......................................................2

图1- 2 太阳能电池的伏安特性曲线..........................................................................3

图1- 3 DSSC工作原理图............................................................................................5

图1- 4 基于TiO2纳米管的染料敏化太阳能电池模型............................................9

图1- 5 模板法合成TiO2纳米管示意图..................................................................10

图1- 6 模板法制备的TiO2纳米管..........................................................................11

图1- 7 水热合成法制备的TiO2纳米管..................................................................11

图1- 8 阳极氧化法制备的TiO2纳米管..................................................................12

图2- 1 Ti阳极氧化反应示意图................................................................................15

图2- 2 阳极氧化钛箔制得TiO2纳米管的扫描电镜图..........................................16

图2- 3 TiO2纳米管的扫描电镜图（丙三醇，NH4F）...........................................17

图2- 4 TiO2纳米管的扫描电镜图（丙三醇，NaF）..............................................18

图2- 5 TiO2纳米管的扫描电镜图（丙三醇，KF）...............................................19

图2- 6 TiO2纳米管的表面覆盖物（丙三醇，KF）...............................................20

图2- 7 TiO2纳米管的扫描电镜图（丙三醇，4wt%DI）.......................................21

图2- 8 TiO2纳米管的扫描电镜图（丙三醇，6wt%DI）.......................................22

图2- 9 TiO2纳米管的扫描电镜图（丙三醇，10wt%DI）.....................................22

图2- 10 TiO2纳米管的扫描电镜图（丙三醇，20wt%DI）...................................23

图2- 11 阳极氧化法制备TiO2纳米管的装置图实验装置图.................................26

图2- 12 溅射钛膜的FTO（a）和TiO2纳米管薄膜电极（b）............................26

图2- 13 TiO2纳米管的扫描电镜图（丙三醇，20V）............................................28

图2- 14 TiO2纳米管的扫描电镜图（乙二醇，40V）............................................29

图2- 15 阳极氧化电压与反应时间的关系..............................................................30

图2- 16 TiO2纳米管的扫描电镜图（乙二醇，50V）............................................31

V

TiO2纳米管

图2- 17 TiO2纳米管的扫描电镜图（乙二醇，55V）............................................31

图2- 18 TiO2纳米管的扫描电镜图（乙二醇，60V）............................................32

图2- 19 TiO2纳米管的扫描电镜图（乙二醇，65V）........ …… 此处隐藏：11616字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……