介孔钛-锡复合氧化物在染料敏化太阳能电池中的应用

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随着化石燃料的快速消耗,清洁可再生的能源的探索已成为现阶段研究的重要课题。太阳能因其具有丰富的能源储量、绿色环保的特质而被作为化石能源的优秀替代。光伏发电将太阳能直接转化为电能,是对太阳能应用研究的核心。而太阳能电池作为光伏发电中的重要器件更是受到了研究学者的关注。第三代太阳能电池之一的染料敏化太阳能电池在制作上工艺较为简单、成本价格较低,光阳极在其中是极为重要的构成部分,是决定影响染料敏化太阳能电池光电转换效率的关键要素。在染料敏化太阳能电池光阳极半导体材料的选择上,金属氧化物Sn O2的化学性质稳定,具有较快的电子传输速度。Ti O2具有稳定的化学性,良好的光电性能。制备出Sn O2和Ti O2的介孔复合材料,即有着高比表面积的特点也具备着各自材料的优异性能,可以作为光阳极的优秀材料。本文采用了硬模板法来合成介孔二氧化锡(Meso-Sn O2),通过初湿浸渍法在Meso-Sn O2上掺杂Ti O2来制备得到介孔钛锡复合金属氧化物(Ti O2-Meso-Sn O2),合成了比表面积高、孔径均一、形貌优异、分散性良好的Ti O2-Meso-Sn O2复合材料,探究了前驱体种类、煅烧温度、Ti O2的含量等条件对材料的影响。然后进行了光电性能的测试、入射光子-电子转换效率(IPCE)测试、电化学阻抗谱测试(EIS)等一系列测试来验证其在染料敏化太阳能电池方面的应用前景。具体工作如下:(1)将KIT-6作为模板剂,通过硬模板法成功制备了Meso-Sn O2。探究煅烧温度(400℃、500℃、600℃、700℃)对Meso-Sn O2结构及形貌的影响,发现700℃是煅烧的最佳温度,制备出的Meso-Sn O2颗粒均匀、分散性好、具有较高的比表面积132.4 m2/g,大孔容0.41 cm3/g以及均匀的孔径2.77 nm。(2)以Ti(OC2H5)4和Ti(OCH(CH3)2)4作为前驱体制备Ti O2-Meso-Sn O2,分散性均较好。以Ti(OC2H5)4为前驱体合成的材料表现出了相对更大的比表面积及孔容。(3)探究不同煅烧温度(350℃、400℃、450℃)对制备Ti O2-Meso-Sn O2的结构及形貌的影响,发现400℃是最佳的煅烧温度。得到产物的比表面积以及孔容均高于其他两个温度煅烧出的产物,且分散性更好。(4)制备含Ti O2量不同的Ti O2-Meso-Sn O2,当含量为20 wt%、30 wt%时在XRD图像中可以清晰地看到Ti O2的衍射峰。其中Ti O2含量为20 wt%时,比表面积及孔容相对于含量为30 wt%的更大,分别为96.3 m2/g、0.15 cm3/g。通过SEM图像可以看到制备材料的分散性相较好,形貌均一。(5)对上述样品制备的DSSCS进行了(J-V)曲线测试、(EIS)测试、(IPCE)测试、以及(UV-vis)测试,当掺入Ti O2量为20 wt%的Ti O2-Meso-Sn O2,制得的DSSCs光伏性能最佳,其PCE最高1.95%,是纯Sn O2材料的3倍左右,同时也表现出最高的电流密度7.45 A/cm2。
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