Cu和Ag掺杂TiO2染敏电池制备及光谱电化学性能研究

作     者：夏雪 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨玉林

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：二氧化钛 铜掺杂 银掺杂 染料敏化太阳能电池 变温光谱电化学 

摘      要：能源和环境问题是目前全球关注的重点问题,解决这两个问题的关键方式是寻找绿色清洁能源替代当前大量消耗的储量有限的化石能源。太阳能光电应用是未来能源发展的主要形式,而染料敏化太阳能电池是其中的研究重点。二氧化钛作为该类电池应用最为广泛的光阳极材料,备受科研工作者关注。本论文以掺杂改性二氧化钛为目的,通过溶胶-水热合成方法制备过渡金属Cu、Ag掺杂二氧化钛粉体。对制备的粉体通过XRD等手段等进行表征和测试。得到如下结果,Cu掺杂和Ag掺杂对二氧化钛晶型影响较小,但由于Cu-O-Ti键和Ag-O-Ti键的形成,使得晶粒生长受阻,形成的颗粒粒径相对较小。另外,Cu掺杂使得二氧化钛吸收带边发生大幅度红移,且在可见区范围内吸收增强。而由于Ag自身光电性质与Cu的差异,Ag掺杂对二氧化钛光吸收红移程度影响较小,但仍有红移。将制备的粉体用作染料敏化太阳能电池光阳极材料,组装电池测试光电性能。测试后发现,Cu和Ag掺杂DSSC总效率伴随掺杂浓度的增加先增大后减小。对于Cu掺杂二氧化钛光阳极染料敏化太阳能电池,当Cu掺杂原子比为1.0%时,由此组装的染料敏化太阳能电池η最高达6.12%。这主要是因为适量的掺杂有效的提高了材料对于太阳光的利用率,从而提高了电池性能。而载流子捕获中心则会由于过量的掺杂引起缺陷增加而增多,影响了短路电流密度,进而影响电池效率。对于Ag掺杂二氧化钛光阳极染料敏化太阳能电池,当Ag掺杂原子比为1.2%时,由此组装的染料敏化太阳能电池η最高达7.34%。除掺杂改变了二氧化钛光吸收性之外,由于Ag具有更好的导电性且易形成纳米粒子进一步减少了光阳极的载流子捕获中心,所以其效率相对Cu掺杂较高。另外,由于Ti Cl4后处理二氧化钛光阳极可有效增加光阳极膜比表面积,增大染料吸附量,提高光捕获率。所以论文研究了Ti Cl4后处理掺杂改性二氧化钛光阳极染料敏化太阳能电池性能,发现处理后并不改变因掺杂引起的电池性能变化规律,但可有效提高不同掺杂元素和不同掺杂浓度电池的光电转换效率。结合文献报道,实验通过变温光谱电化学测试方法研究了Cu掺杂和Ag掺杂对二氧化钛能级结构的影响。通过定性和定量的方法得到,过渡金属Cu掺杂和Ag掺杂不同程度降低了二氧化钛导带底位置。二氧化钛导带底的降低增加了电子注入驱动力,利于短路电流密度的提高,这从理论上解释了掺杂使电池性能提高的问题。