铋基氧化物在染料敏化太阳能电池对电极中的应用研究

摘要

在世界经济和科技飞速发展的时代背景下，能源短缺和环境问题成为亟待解决的问题之一，因而寻找绿色环保型新能源成为重中之重。人们已经有涉及的新型环保型能源有风能、水能、太阳能、生物能等等。太阳能电池是一种利用半导体的光生伏特效应进行光电转换的装置，由于其利用太阳能这种无污染且可再生的绿色能源作为光电转换的输入能源，而逐步成为科学研究的热点。太阳能电池种类可以分为许多种，主要包括硅基太阳能电池，钙钛矿太阳能电池，聚合物太阳能电池，染料敏化太阳能电池以及量子点太阳能电池等等。其中染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cell, DSSC）由于其原材料丰富、成本低廉和工艺简单等优势成为研究的热门。自从1991年瑞士M. Gr?tzel教授领导的科研小组对DSSC的研究取得了突破性进展之后，各种有关DSSC的报道如同雨后春笋般不断涌现。
　　铋基氧化物是一种功能材料，因为电导率低，带隙宽，原料丰富，合成较为简单等优点，有望于用于光电转化、医药制药等领域。本文主要针对铋基氧化物中的钛酸（Bi4Ti3O12，BTO）以及Bi5FeTi3O15(BFTO)进行研究。BTO由于其氧八面体层状结构和高的居里温度成为一种重要的类钙钛矿铁电材料；而BFTO则可以被看成一个四层钙钛矿(Bi3Ti3FeO13)2-沿c轴插在两个(Bi2O2)2+之间而形成的四层钙钛矿结构。其中关于BTO和BFTO的铁电性、介电性和压电性等性能已经有了很多的文献报道，但是有关它们的电化学和光伏性能的报道是较少的。本文主要研究BTO与石墨烯的复合物作为染料敏化太阳能电池的对电极材料，以及极化、贵金属Ag修饰对BFTO薄膜光电化学性质的影响。
　　第一部分主要介绍了使用静电纺丝的方法来制备 BTO纳米纤维的过程。我们使用溶胶凝胶法制备前驱体溶液，并使用高分子有机物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为黏结剂用以增加前驱体溶液的粘稠度；随后通过一个自制的静电纺丝设备实现纺丝（直流高压10kV，接收距离大约15cm）；最后通过在马弗炉中690℃退火得到直径约为160纳米的BTO纳米纤维。我们主要通过XRD、SEM、TEM、Raman等手段对BTO纳米纤维进行结构和形貌表征。
　　第二部分系统研究了BTO及BTO与石墨烯复合物作为DSSC的对电极材料时的各种性能。我们知道，石墨烯的碳原子以SP2杂化方式形成蜂窝型片状结构，其以高的电子迁移率、高的导电导热性以及非常大的比表面积等本质特性成为科学工作者的最爱。因此我们将BTO纳米颗粒与石墨烯按照重量百分比充分复合，使BTO纳米颗粒附着在蜂窝状的石墨烯上以提高其比表面积，使电解液中的I3—/I—电子对与电极的接触更加充分，最终提高复合材料对电极(Counter Electrode, CE)的催化活性。本文使用简易的刮涂法，将复合样品刮成膜，然后在氩气保护状态下400℃退火制备成对电极，与 N719染料、TiO2光阳极装配成完整的电池，随后通过电化学工作站测试DSSC的伏安特性曲线、塔菲尔极化曲线和电化学阻抗谱等性能指标。通过表征可知，石墨烯的重量百分比在2.5％时，BTO与石墨烯复合物对电极组装成的DSSC的光电转换效率是9.7%,已经达到了用铂(Pt)作对电极的DSSC的79.6%和用纯石墨烯做对电极的DSSC的86.2%。
　　第三部分则主要描述了化学溶液法制备BFTO薄膜的过程，以及铁电极化对BFTO薄膜对电极光电化学性质的影响。本文主要采用溶胶凝胶法制备BFTO前驱体溶液，随之用匀胶机在FTO上进行旋转甩胶，然后进行三段式热处理，即200℃烘烤，400℃热解，680℃结晶，即可得到BFTO薄膜。将上述制备好的BFTO加电压极化(+8/-8V)，然后与N719染料、TiO2光阳极组装成完整的电池，测试其电化学性能。实验结果显示，在+8V时，其光电转换效率约为2%，大约是BFTO(0.9%)电极的2.2倍，表明铁电极化确实可以提高基于铁电氧化物物薄膜对电极的光电性质。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 染料敏化太阳能电池

1.2 纳米纤维

1.3 论文主要研究内容及其意义

参考文献

第2章 静电纺丝法制备BTO纳米纤维

2.1 静电纺丝技术

2.2 静电纺丝法制备BTO纳米纤维

2.3 BTO纳米纤维表征

2. 4本章小结

参考文献

第3章 基于BTO/Graphene复合材料的DSSC对电极研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3. 3 BTO/Gr复合材料CE的表征

3. 4本章小结

参考文献

第4章 基于BFTO的DSSC对电极研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4. 3 BFTO多晶薄膜的表征和光电性能测试

4. 4本章小结

参考文献

第5章 总结和展望

致谢

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