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理论研究TiO2纳米管染料敏化太阳能电池中的电子传输

理论研究TiO2纳米管染料敏化太阳能电池中的电子传输

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作者：高鑫吉林大学

学位级别：硕士

染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于制造工艺简单、生产成本低,且具有较高的稳定性和光电转换效率,已成为广大科研人员关注及研究的焦点。DSSCs主要由半导体阳极薄膜、光敏材料(染料分子)、电解质、对电极以及导电基底组成。在基于TiO纳米... 详细信息

染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于制造工艺简单、生产成本低,且具有较高的稳定性和光电转换效率,已成为广大科研人员关注及研究的焦点。DSSCs主要由半导体阳极薄膜、光敏材料(染料分子)、电解质、对电极以及导电基底组成。在基于TiO纳米材料的DSSCs体系中,半导体材料的纳米形态被认为是影响电池光电转换效率的主要因素之一。近年来,在DSSCs的研究中,研究者们尝试采用TiO纳米管(TiO NT)层取代传统的TiO材料。这是由于TiO纳米管层在结构上展现出高度有序性,可提供一维电子传输路径,预期能够显著提高电池的电荷传输效率。然而电子在染料与TiO NT之间,以及电子在TiONT内部的传输机理仍然缺乏详细的理论模型。因此在本研究中,我们以一维TiO NT为研究主体,对染料分子吸附在TiO NT上的复合体系进行了详细的理论计算,从而深入探究电子在染料/TiO NT复合体系界面处以及在纳米管上的传输机理。在本研究中,我们对两种不同的染料分子(分别带有羧基和羟肟基锚定基团)和二氧化钛纳米管组成的复合体系进行了一系列的理论研究。计算结果表明(12,0)TiO NT的结构与锐钛矿的结构相似,而(0,4)TiO NT则在垂直于纳米管管轴的方向上表现出明显的结构形变。与羧基锚定基团相比,在水溶液中能稳定存在的羟肟基具有更好的光捕获能力。此外,羟肟基锚定基团与TiONT表面的结合能力也略强于羧基与TiO NT之间的相互作用。界面电子传输(IET)动力学计算结果表明,与体相TiO相比,这两种TiO纳米管均可以加快电子在染料和TiO层之间的传输速度。同时,电子等值面图(电子云随时间的演化过程)表明了电子在(12,0)和(0,4)TiO NTs上的传输机理是不同的。对于(12,0)TiO NT,光致激发的电子可以沿平行和垂直于管轴的方向在纳米管表面进行传输。而在(0,4)TiO NT上,电子仅沿管轴方向在纳米管表面传输。我们希望我们的研究工作能揭示一维TiO NT在染料敏化太阳能电池中的工作机制,为设计更好的DSSCs体系提供帮助。

关键词：染料敏化太阳能电池羧基/羟肟基锚定基团 TiO2纳米管界面电子传输

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