原位生長摻雜TiO2薄膜電極及其光電轉換性能研究.pdf

1、TiO2薄膜電極是染料敏化太陽能電池的重要組成部分。制備工藝簡便，成本低廉，與基體結合牢固的TiO2薄膜電極有利于推動染料敏化太陽能電池的實際應用進程。本論文采用微等離子體氧化法在鈦表面原位生長與基體結合力好和大面積的TiO2薄膜電極。
　　研究了電解液體系、電流密度、電壓、電解質濃度、反應時間和敏化工藝對的TiO2薄膜光電性能的影響。通過優(yōu)化工藝參數(shù)實現(xiàn)了 TiO2薄膜電極的原位生長。以(NH4)2SO4為電解液體系，當電流密度

2、為14A/dm2、電壓為245V、電解質濃度為0.5mol/L、反應時間為10min，敏化溫度為25℃，染料濃度為0.2mmol/L時，所得 TiO2薄膜電極的光電性能較好，開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉換效率分別為652mV、149μA/cm2、0.39和0.095％。
　　研究了N、S和Nd單獨摻雜及N與Nd復合摻雜對原位生長TiO2薄膜電極光電性能的影響。結果表明，N、S、Nd單獨摻雜和N與Nd復合摻雜均可顯著提高原位

3、生長 TiO2薄膜電極光電性能，其中單獨摻雜 TiO2薄膜電極的光電性能優(yōu)于復合摻雜，N摻雜 TiO2薄膜電極的光電性能最好，開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉換效率分別達到了701mV、165μA/cm2、0.42和0.121%。
　　利用 SEM、XRD、XPS、UV-vis DRS和EIS等分析手段，對摻雜前后所得 TiO2薄膜電極表面形貌、晶胞參數(shù)、晶粒大小、吸收光譜及內(nèi)部阻抗進行了分析。研究結果表明，所得薄膜是由金紅石

4、型 TiO2為主晶相，同時含有少量的Ti組成，并且表面存在大量分布均勻的微孔。摻雜使 TiO2的晶胞體積發(fā)生膨脹，晶粒尺寸、禁帶寬度和內(nèi)部阻抗減小。其中Nd摻雜使TiO2薄膜禁帶寬度減小程度最大，而N摻雜使內(nèi)部阻抗減小程度最大。
　　通過研究原位生長 TiO2薄膜電極的光誘導電子反應和光電子界面動力學行為發(fā)現(xiàn)，原位生長 TiO2薄膜電極能夠發(fā)生光誘導電子轉移，實現(xiàn)光生電子的快速注入，并且較小的TiO2晶粒尺寸和內(nèi)部阻抗能夠減少光生

5、電子在界面處的湮沒。利用第一性原理計算了 N和Nd摻雜前后原位生長 TiO2薄膜電極的能帶結構，計算結果表明摻雜后的TiO2能帶結構中產(chǎn)生了雜質能級，使其禁帶寬度變小，計算結果與實驗值符合較好，這進一步證明摻雜改性可以調(diào)節(jié)原位生長TiO2薄膜電極的能帶結構，進而提高其光電性能。
　　探討了原位生長摻雜 TiO2薄膜電極的光電轉換行為，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸、內(nèi)部阻抗和禁帶寬度對原位生長 TiO2薄膜電極光電性能的影響是三者共同作用的結果，三