通过在宽带隙半导体材料表面结合一些对可见光具有强吸收能力的有机光敏染料,使体系的光谱响应拓展到可见区,甚至近红外区的行为,叫半导体的“染料敏化作用”,根据此原理制备成的太阳能电池称为“染料敏化太阳能电池”。与传统的第一代、第二代太阳能技术相比,染料敏化太阳能电池在低成本、轻质、柔韧性、透明性、多色彩等方面占有明显优势,被誉为最具开发潜力的第三代新型薄膜太阳能电池。为了提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率,通常需要采用较大比表面积的纳米晶多孔电极来吸附光敏染料,提高电池的光捕获效率。目前水热法合成的锐钛矿相二氧化钛纳米晶是制备多孔电极最理想的材料,但是需要经过精准的水解反应和高温高压下的水热过程,而且产量低,成本昂贵,难以满足工业化生产要求。为了省略繁琐的纳米晶合成工艺,缩短染敏电池生产周期,降低生产成本,本论文采用商业化P25型二氧化钛粉末来制备多孔电极,研究其化学分散、锐钛矿相分离、电极表面钝化等技术对电池光电性能的影响。主要工作如下:研究P25型二氧化钛粉末的化学分散性对电池光电性能的影响。P25粉末在制备多孔电极过程中容易产生大量软性团聚体,尺寸从数百纳米到数微米不等。软性团聚体在干燥或烧结过程中由于坍塌产生应力集中,导致薄膜开裂或者从基底脱落,同时大尺寸团聚粒子会使多孔电极中产生较大的孔隙,结构疏松,不利于染料吸附和多孔电极电荷收集。软性团聚体的本质是纳米粒子之间存在范德华吸引力。为了抑制纳米粒子之间的相互吸引,我们通过化学的方法,在二氧化钛纳米粒子表面化学吸附醋酸分子,通过在水溶液中电离的方式使纳米粒子表面带上双电荷层,利用粒子之间产生的静电斥力,抵消范德华吸引力,自发实现了P25粉末在水溶液中的高度分散。研究结果表明,P25粉末充分吸附醋酸以后,纳米粒子在水溶液中的Zeta电位从+5.35m V增大到+46.1 m V,在水溶液中的团聚体尺寸由400nm减小到30nm,最终实现了P25粉末的单分散性。将分散好的P25粉末制备成多孔电极,经过500℃烧结(驱除有机物),与未分散的P25粉末多孔电极相比,比表面积从47.16下降到44.52m2/g,平均孔径从37.40下降到19.81nm,多孔电极密度0.113增大到0.163mg/cm2μm1,粗糙因子提高36%,说明多孔电极随P25粉末分散质量的提高变得更加致密。P25分米经过分散后,制备成多孔电极,并组装成染料敏化太阳能电池,测试电池在模拟光照下的光电性能,测试结果表明,随P25粉末分散质量的提高,电池的开路电压基本保持不变,填充因子有略微下降,但是短路电流密度从11.8m A/cm2大幅提高到15.7m A/cm2,最终使电池光电转换效率从6.15%提高到8.07%。电池短路电流的大幅提高,主要因为P25粉末分散质量的提高,使制备的多孔电极粗糙因子增大,使电极单位体积内染料吸附能力增强,最终使电极的光捕获能力得到大幅改善。研究P25粉末相分离对电池光电性能的影响。P25粉末是由80%尺寸为21nm的锐钛矿相和20%尺寸为50nm金红石相组成,锐钛矿相在染料吸附能力和电子迁移速率方面比金红石相更优越,有利于获得更加优越的光电性能。因此,使用P25粉末制备高效染料敏化太阳能电池,需要将金红石相从粉末中分离出去。与锐钛矿相相比,由于金红石相尺寸较大,表面羟基功能团数目较少,表面吸附醋酸分子后在水溶液中建立的双电荷层比较薄弱,会优先被强电解质电离出的大量正负离子所破坏。当金红石相纳米粒子失去双电荷层后,因为范德华吸引力而发生重新团聚,从溶液中沉淀出去,从而去除粉末中的金红石相。XRD结果研究表明,随着向P25粉末的分散液中添加强电解质用量的增大,溶液中金红石相的特征衍射峰强度逐渐变弱,最后消失,粉末中锐钛矿相的含量从83.2%增大到100%。粉末的多孔特性研究表明,随着金红石含量的减少,分离出的锐钛矿相粉末平均粒子直径从28.3nm减少到19.7nm,比表面积从49.9m2/g增大到76.3m2/g,说明分离出的粉末会更有利光敏染料的吸附。将分离出的锐钛矿相粉末制备成染料敏化太阳能电池,其光电性能测试结果表明,随着P25粉末中金红石含量的减少,制备的染敏电池开路电压基本保持不变,而电池的短路电流密度从16.1m A/cm2增大到18.2m A/cm2,填充因子从71.1%提高到74.2%,转换效率从8.52%增大到了10.1%,说明分离出的锐钛矿相粉末具有更好的染料吸附能力和电子收集效率,使电池光电性能得到进一步改善。在相组成、粒子分散度、比表面积等方面都表明,从P25粉末中分离出的锐钛矿相粉末属于理想的光阳极材料,可以替代传统的水热法纳米晶合成工艺,降低染料敏化太阳能电池商业化生产成本和生产周期。研究多孔电极表面钝化对电池光电性能的影响。虽然二氧化钛纳米晶多孔电极具有较大的比表面积,有利于光敏染料在表面的吸附,但同时也增大多孔电极导带电子与电解质复合的概率。为了进一步提高电池的光电性能,需要对多孔电极进行表面钝化,抑制多孔电极与电解质之间的复合过程,从而提高电池的开路电压。同时,我们考虑到染料敏化太阳能电池在受潮后,电池光电性能加速衰减的问题。使用3A分子筛作为多孔电极表面钝化层和除水剂,改善电池的复合阻抗和电池的抗潮能力,提高电池的开路电压和长期稳定性。3A分子筛是铝硅酸盐晶体,属于绝缘材料,涂覆在光阳极表面,可以有效地隔离多孔电极表面富集的电子与氧化电解质之间的接触,降低电极表面电子与电解质的复合概率。同时,3A分子筛由硅氧四面体和铝氧四面体通过氧桥键相连而成三维的笼状结构,形成大量3?尺寸的孔径,对电解质中的极性水分子具有非常强烈的选择性吸附,有效抵抗水分对染料敏化太阳能电池的光电性能的恶化。研究结果表明,在多孔电极表面使用3μm厚度的3A分子筛涂层,可以使光阳极/染料/电解液界面的复合阻抗增从79.8Ω增大到95.4Ω,电池开路电压从775m V提高到793m V,而电池短路电流和填充因子基本不变;其次,电池的抗水性测试表明,使用分子筛涂层以后,有效消除电解质中含量低于2%的水分对电池光电性能的影响,使电池转换效率保持在10%以上。