tio2微纳结构制备及其在太阳能电池中的应用研究
采用四氯化钛，去离子水，无水乙醇，盐酸为主要试剂通过水热法实现了二氧化钛纳米材料的制备。通过对试剂浓度的调整和在同一条件下保温时间的改变，以及改变试剂添加的先后顺序研究获得微纳结构的最佳方法。研究结果表明，适宜制备二氧化钛微纳结构的试剂添加顺序为先将无水乙醇与四氯化钛混合，待搅拌均匀后加入去离子水，继续搅拌一段时间后最后加入盐酸搅拌。所用溶液比例为11.9 %的无水乙醇，5 %的四氯化钛，35.7 %的去离子水以及47.4 %的盐酸。将上述溶液放入鼓风干燥箱于150摄氏度保温12小时即可获得最佳微纳结构。组装电池后，光电性能测试表明在该条件下获得的微纳结构的电池性能也最好。关键词 TiO2，组织结构，光电性能，水热法
目 录
1引言1
1.1 问题的提出1
1.2二氧化钛微纳结构的特点1
1.3二氧化钛微纳结构的制备工艺和基本应用1
1.4二氧化钛微纳结构在太阳能电池中的基本应用3
1.5染料敏化太阳能电池的特点3
1.6染料敏化太阳能电池的基本原理4
1.7染料敏化太阳能电池的优化条件和发展现状5
1.8二氧化钛微纳结构在太阳能电池中应用的研究重点和进展8
1.9本课题的主要研究内容9
2实验部分9
2.1实验材料9
2.2实验设备10
2.3二氧化钛微纳结构提高电池光电性能的原理10
2.4实验方案11
3实验数据的对比分析12
3.1改变顺序对比12
3.2改变溶液浓度对比14
3.3改变保温时间对比15
3.4电池的组装和测试18
结论20
致谢21
参考文献22
1 引言
1.1 问题的提出
随着科技的日益进步，越来越多的新型材料不断出现，二氧化钛微纳结构具有优异性能并可应用于太阳能电池，这引起了很多科学家和学者们的关注。探索二氧化钛微纳结构制备的新方法，实现高性能太阳能电池中的制备已成为了研究热点，并且这也是当前纳米材料科学研究的前沿与热点。目前世界上已知的制备方式包括 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
有以下几种：以Ti, N等为前驱钛源，采用水热/溶剂热法和溶胶凝胶方法制备TiO2纳米材料，采用水热法在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃基底上制备TiO2的纳米棒阵列[1]，采用阳极氧化法在Ti箔上生长有序排列的TiO2的纳米管阵列[2]。目前这种采用二氧化钛微纳结构制成太阳能电池最高的光电转换效率已经超过12%，这与传统的非晶硅光伏电池效率很接近了，并且这种方法生产工艺简单，成本只有硅太阳能电池的十分之一左右并且制作工艺适合商业化的大量生产。
1.2 二氧化钛微纳结构的特点
二氧化钛纳米材料具有优异的性能，在光催化降解环境污染物，光解水制氢，染料敏化太阳能电池等方面具有重要的应用。微纳结构的二氧化钛可以进一步优化其光学性能，二氧化钛微纳结构的化学稳定性好，并且它的介电常数等数据十分优秀。同时它还拥有一些特殊的性能，如表面效应、体积效应、和量子尺寸效应等，这些特点吸引了人们在能量存储和转换上的研究。同时它还能做到高效低能耗以及对环境无污染，是一种使用范围广的功能材料。这些特性使得它在超级电容器和太阳能电池的制备中成为一种常用的材料。
1.3 二氧化钛微纳结构的制备工艺和基本应用
1.3.1 水热法制备二氧化钛
二氧化钛纳米颗粒，纳米颗粒的粒度都是比较均匀、细小的，并且比其表面积要大，但是因为颗粒表面的密度较高，其电子扩散系数较小，导致其复合率有所增加，使得DSSC电池光电转换效率降低了。采用水热法制备阵列有序的纳米棒[3]，可以让电极表面与染料分子之间结合力增大，电子的注入效率变得更高；通过这样处理的阵列能够使得染料分子吸附效率提高，从而提高了电池的光电转化效率。
1.3.2 广谱响应的二氧化钛中空微纳米球的制备方法
将聚苯乙烯球模板和TiCl4水溶液混合，加入配位剂，转入水热反应釜内；将反应釜密封，放入预先加热的干燥箱内进行水热反应，所得固体产物用去离子水洗涤后，在6070 ℃温度下烘干；将烘干的固体产物进行煅烧，以去除模板，得到二氧化钛中空微纳米球。通过本发明的制备方法获得的二氧化钛材料在紫外可见近红外光区具有广谱吸收特性，大大提高了对光能的利用率，降低了对灯源的要求，避免了紫外光对人体的伤害和对有机材料的老化破坏作用。
1.3.3 气相沉积法合成二氧化钛微纳结构
气相沉积，是将物质从气象沉积到固相的过程。这种方法主要是在基底表面形成一层薄膜，用以改变基底的各种性能，包括光学性能，热学性能，电化学性能以及机械性能等一系列性能。目前我们也可以采用这种方法合成纳米材料。气相沉积法分为物理气相沉积法和化学气相沉积法。前者在沉积过程中没有化学反应，后者则产生了一系列化学反应。Chemical Vapor deposition,简称CVD。在此过程中，通常我们先把物质加热成气相，然后才能将其沉积在物质的基底上。比如我们用钛酸异丙酯作为前驱物，用CVD方法可以直接合成直径在50到100纳米，长度在0.5到2微米之间的二氧化钛纳米棒。同时CVD法还包括热等离子体裂变法，静电喷雾水解法等方法。
1.3.4 超声法合成二氧化钛微纳结构
在纳米合成方面，碳化物，氧化物，超声波都有重要的影响作用。超声波的化学作用主要在于它能够在液体中形成声洞，并在其中产生5000K的高温，1000atm左右的压力和快速的升温降温条件。总而言之我们可以采用超声法通过简单操作就可以合成二氧化钛的微纳结构。
1.3.5 二氧化钛微纳结构的基本应用
截止到本世纪，人们已经实现了对二氧化钛微纳结构的工业化生产，并且将其运用于颜料，防晒剂，涂料等方面。
1972年，人们首次发现了二氧化钛在紫外线光照下具有能够分解水的光催化性能。基于这种性能，人们开始将其运用于光伏，光催化等各种领域。通过对二氧化钛微纳结构的各种运用和研究发现，它主要有两个方面的运用：环境和能源上的运用。当然这些性能的表现不单单是仅仅依靠它本身的运用，还需要有一些其他材料的共同工作才能产生。最具有代表性的就是染料敏化太阳能电池中的染料和电解质溶液。
目 录
1引言1
1.1 问题的提出1
1.2二氧化钛微纳结构的特点1
1.3二氧化钛微纳结构的制备工艺和基本应用1
1.4二氧化钛微纳结构在太阳能电池中的基本应用3
1.5染料敏化太阳能电池的特点3
1.6染料敏化太阳能电池的基本原理4
1.7染料敏化太阳能电池的优化条件和发展现状5
1.8二氧化钛微纳结构在太阳能电池中应用的研究重点和进展8
1.9本课题的主要研究内容9
2实验部分9
2.1实验材料9
2.2实验设备10
2.3二氧化钛微纳结构提高电池光电性能的原理10
2.4实验方案11
3实验数据的对比分析12
3.1改变顺序对比12
3.2改变溶液浓度对比14
3.3改变保温时间对比15
3.4电池的组装和测试18
结论20
致谢21
参考文献22
1 引言
1.1 问题的提出
随着科技的日益进步，越来越多的新型材料不断出现，二氧化钛微纳结构具有优异性能并可应用于太阳能电池，这引起了很多科学家和学者们的关注。探索二氧化钛微纳结构制备的新方法，实现高性能太阳能电池中的制备已成为了研究热点，并且这也是当前纳米材料科学研究的前沿与热点。目前世界上已知的制备方式包括 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
有以下几种：以Ti, N等为前驱钛源，采用水热/溶剂热法和溶胶凝胶方法制备TiO2纳米材料，采用水热法在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃基底上制备TiO2的纳米棒阵列[1]，采用阳极氧化法在Ti箔上生长有序排列的TiO2的纳米管阵列[2]。目前这种采用二氧化钛微纳结构制成太阳能电池最高的光电转换效率已经超过12%，这与传统的非晶硅光伏电池效率很接近了，并且这种方法生产工艺简单，成本只有硅太阳能电池的十分之一左右并且制作工艺适合商业化的大量生产。
1.2 二氧化钛微纳结构的特点
二氧化钛纳米材料具有优异的性能，在光催化降解环境污染物，光解水制氢，染料敏化太阳能电池等方面具有重要的应用。微纳结构的二氧化钛可以进一步优化其光学性能，二氧化钛微纳结构的化学稳定性好，并且它的介电常数等数据十分优秀。同时它还拥有一些特殊的性能，如表面效应、体积效应、和量子尺寸效应等，这些特点吸引了人们在能量存储和转换上的研究。同时它还能做到高效低能耗以及对环境无污染，是一种使用范围广的功能材料。这些特性使得它在超级电容器和太阳能电池的制备中成为一种常用的材料。
1.3 二氧化钛微纳结构的制备工艺和基本应用
1.3.1 水热法制备二氧化钛
二氧化钛纳米颗粒，纳米颗粒的粒度都是比较均匀、细小的，并且比其表面积要大，但是因为颗粒表面的密度较高，其电子扩散系数较小，导致其复合率有所增加，使得DSSC电池光电转换效率降低了。采用水热法制备阵列有序的纳米棒[3]，可以让电极表面与染料分子之间结合力增大，电子的注入效率变得更高；通过这样处理的阵列能够使得染料分子吸附效率提高，从而提高了电池的光电转化效率。
1.3.2 广谱响应的二氧化钛中空微纳米球的制备方法
将聚苯乙烯球模板和TiCl4水溶液混合，加入配位剂，转入水热反应釜内；将反应釜密封，放入预先加热的干燥箱内进行水热反应，所得固体产物用去离子水洗涤后，在6070 ℃温度下烘干；将烘干的固体产物进行煅烧，以去除模板，得到二氧化钛中空微纳米球。通过本发明的制备方法获得的二氧化钛材料在紫外可见近红外光区具有广谱吸收特性，大大提高了对光能的利用率，降低了对灯源的要求，避免了紫外光对人体的伤害和对有机材料的老化破坏作用。
1.3.3 气相沉积法合成二氧化钛微纳结构
气相沉积，是将物质从气象沉积到固相的过程。这种方法主要是在基底表面形成一层薄膜，用以改变基底的各种性能，包括光学性能，热学性能，电化学性能以及机械性能等一系列性能。目前我们也可以采用这种方法合成纳米材料。气相沉积法分为物理气相沉积法和化学气相沉积法。前者在沉积过程中没有化学反应，后者则产生了一系列化学反应。Chemical Vapor deposition,简称CVD。在此过程中，通常我们先把物质加热成气相，然后才能将其沉积在物质的基底上。比如我们用钛酸异丙酯作为前驱物，用CVD方法可以直接合成直径在50到100纳米，长度在0.5到2微米之间的二氧化钛纳米棒。同时CVD法还包括热等离子体裂变法，静电喷雾水解法等方法。
1.3.4 超声法合成二氧化钛微纳结构
在纳米合成方面，碳化物，氧化物，超声波都有重要的影响作用。超声波的化学作用主要在于它能够在液体中形成声洞，并在其中产生5000K的高温，1000atm左右的压力和快速的升温降温条件。总而言之我们可以采用超声法通过简单操作就可以合成二氧化钛的微纳结构。
1.3.5 二氧化钛微纳结构的基本应用
截止到本世纪，人们已经实现了对二氧化钛微纳结构的工业化生产，并且将其运用于颜料，防晒剂，涂料等方面。
1972年，人们首次发现了二氧化钛在紫外线光照下具有能够分解水的光催化性能。基于这种性能，人们开始将其运用于光伏，光催化等各种领域。通过对二氧化钛微纳结构的各种运用和研究发现，它主要有两个方面的运用：环境和能源上的运用。当然这些性能的表现不单单是仅仅依靠它本身的运用，还需要有一些其他材料的共同工作才能产生。最具有代表性的就是染料敏化太阳能电池中的染料和电解质溶液。
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