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染料敏化太阳电池(DSCs)是一种新型的薄膜电池,它具有成本低、制备工艺简单等优点,且具有良好的开发前景,因此受到世界各国研究者的广泛关注。为了提高电池的效率和稳定性,目前,国内外研究机构和科研人员在纳米半导体多孔薄膜光阳极、染料、电解质和对电极等DSCs用关键材料以及柔性DSCs、大面积DSCs产业化前期研究等方面做了众多的研究工作,并取得了显著的研究进展。其中,纳米半导体多孔薄膜光阳极是DSCs的关键组成部分之一,对DSCs的光伏性能有很大的影响。本论文就纳米TiO2多孔薄膜光阳极的制备进行了研究,分别采用H2O2直接氧化法和阳极氧化法制备出了不同形貌的TiO2纳米结构,通过SEM、XRD的表征、电池的组装、光电性能的测试等,研究了不同TiO2纳米结构对DSCs的影响。本论文的具体研究内容和主要结论归纳如下:
1、使用双氧水直接氧化法在Ti片上制备出不同形貌的二氧化钛纳米结构。研究表明,腐蚀液浓度配比和氧化时间对二氧化钛纳米结构的形貌具有很大的影响。通过改变腐蚀液浓度配比制备出了纳米线、纳米棒以及纳米花等不同形貌的纳米结构；而随着氧化时间的增长,纳米二氧化钛由最初的纳米线结构逐渐形成纳米球结构,并且随着时间的增长,纳米球结构不再发生变化。在本节中还研究了退火温度对二氧化钛组分的影响,结构表明,不同的退火温度对TiO2的晶相有很大的影响,当退火温度为500℃时,TiO2为纯的锐钛矿结构。
2、利用阳极氧化法在Ti片上制备出二氧化钛纳米管阵列。阳极氧化法中,可使用的电解液很多,如氢氟酸溶液,磷酸/硝酸溶液,乙二醇和氟化胺溶液,等等。本文用氟化胺和乙二醇溶液,使用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列。除使用常见的一次氧化法以外,还使用了两次氧化的方法。研究结果表明,二次氧化可以有效地抑制TiO2纳米管表面团簇现象的形成。
3、将上述不同的纳米TiO2薄膜作为光阳极组装了染料敏化太阳电池,同时对电池的光电性能进行了研究。结果表明,有序的TiO2纳米管阵列光阳极组装成的电池具有更高的能量转换效率,其中一次氧化得到的TiO2纳米管组装的电池能量转换效率达到2.59％；而经二次氧化的TiO2纳米管组装的电池能量转换效率达2.85％。我们的工作为后续柔性及大面积太阳电池的研究奠定了良好的基础。