可控帶隙改性TiO2光陽(yáng)極的制備與光電性能研究.pdf

1、本研究以納米 TiO2粉體和薄膜為基底，中壓氨氣為氮源，在高壓反應(yīng)釜內(nèi)利用氨氣的還原性質(zhì)對(duì) TiO2粉體強(qiáng)制摻氮，通過(guò)控制反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力和反應(yīng)時(shí)間，制備形貌、顆粒均一的TiOxNy納米粒子，并探討反應(yīng)條件、摻氮量、帶隙和光電轉(zhuǎn)化效率之間的關(guān)系。采用掃描電鏡對(duì)氮摻雜改性的TiO2納米材料的形貌及膜層的表面和新鮮截面處的形貌、組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察；通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜的吸收帶邊計(jì)算得到光學(xué)帶隙；利用表面光電壓譜和表面瞬態(tài)譜對(duì)光生電荷進(jìn)行動(dòng)力學(xué)

2、研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：中壓氨氣為氮源，在高壓反應(yīng)釜中，能夠有效控制納米TiO2氮粉體的氮摻雜，調(diào)節(jié)摻氮工藝參數(shù)，得到不同摻氮量的TiOxNy。隨著焙燒溫度在一定范圍內(nèi)的降低(600～300℃)，壓強(qiáng)的減小(0.8~0.2MPa)，反應(yīng)時(shí)間的增加(12h,24h)，N摻雜含量升高，紫外-可見(jiàn)光譜分析表明，TiOxNy納米粉體的光學(xué)帶隙隨著摻氮量的增加而減小，TiOxNy封裝成染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)器件后其光電轉(zhuǎn)化效率η增強(qiáng)。表面光

3、電壓譜和表面瞬態(tài)譜研究表明：摻氮 TiOxNy納米粉體的光電活性從紫外到可見(jiàn)區(qū)形成連續(xù)光譜，光生電荷的壽命增加，載流子復(fù)合速度變慢。
　　在探索氣-固強(qiáng)制摻氮 TiO2薄膜工藝中得到沿[103]方向擇優(yōu)生長(zhǎng)的一維TiOxNy納米線，并對(duì)其生長(zhǎng)條件進(jìn)行探索。通過(guò)透射電鏡觀察納米線的定向生長(zhǎng)方向、相結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及分布等微觀結(jié)構(gòu)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，納米線的長(zhǎng)度和密度受體系壓強(qiáng)影響較大，納米線隨氨氣含量的增加而變長(zhǎng)，且單位面積上生長(zhǎng)的數(shù)量

4、減少；納米顆粒形貌轉(zhuǎn)化成納米線后，光電轉(zhuǎn)化效率增強(qiáng)。
　　考慮到 DSSCs僅對(duì)紫外和中波段可見(jiàn)光的吸收，為了充分利用全光譜太陽(yáng)光，采用d10族過(guò)渡金屬配合物與N719染料共敏化TiO2光陽(yáng)極，根據(jù)所制備的納米TiO2多孔電極具有很大的比表面的特點(diǎn)，同時(shí)在TiO2多孔電極上修飾兩種不同光譜吸收范圍的單層染料，即在 TiO2多孔電極上修飾過(guò)渡金屬系列配合物M1(Zn1, Cd1, Hg1)和N719兩種染料，制備出雙染料復(fù)合TiO2

5、電極，使電極在可見(jiàn)光區(qū)呈現(xiàn)較寬的光電響應(yīng)區(qū)域和較好的光電轉(zhuǎn)換特性。共敏化的方法可以在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有效提高電池的吸光率，使得電池的性能比單獨(dú)使用N719敏化有一定幅度的提高。
　　采用循環(huán)伏安測(cè)試研究配合物的氧化還原性質(zhì)，利用交流阻抗結(jié)合適當(dāng)?shù)牡刃щ娐泛蛿?shù)學(xué)物理模型，模擬雙染料復(fù)合電極中的電化學(xué)過(guò)程以及內(nèi)部電阻。電化學(xué)研究表明：(1)該類(lèi)化合物在鉑電極上的電化學(xué)反應(yīng)是可逆過(guò)程。出現(xiàn)一對(duì)氧化還原峰，歸屬于配合物中心離子的兩電子還原過(guò)程

6、。通過(guò)對(duì)掃速、電解質(zhì)、溶劑、溶液中配合物的濃度等測(cè)試條件的優(yōu)化，得到最佳測(cè)試條件：1mmol/L的M1，0.1 mol/L TBAPF6作為電解質(zhì)，CH2Cl2為溶劑，200mV·s-1為掃速進(jìn)行測(cè)試研究對(duì)象的循環(huán)伏安曲線。(2)交流阻抗測(cè)試表明：復(fù)合電極阻抗弧隨著質(zhì)子數(shù)增加而增大，這與光電池性能規(guī)律一致。論文提出合理的等效電路，對(duì)交流阻抗譜進(jìn)行擬合，其擬合等效電路為 Rs(Q1R1)(Q2(R2Zw))，并對(duì)電子在染料敏化 TiO2納