纳米TiO2在太阳能电池中的应用

纳米二氧化钛在太阳能电池中的应用姓名：周瑞学生编号：20100501333单位：Xi建筑科技大学华清学院材料科学与工程1003班教员：杨春利文摘：利用纳米半导体材料如二氧化钛、氧化锌、二氧化硫作为太阳能电池光电极的研究是世界范围内的研究热点，其中纳米二氧化钛由于其光稳定性和无毒，是研究光电太阳能转换电池最常用的材料。目的：研究纳米二氧化钛在太阳能电池中应用的最新进展，为太阳能电池的研发和纳米二氧化钛在太阳能电池中的应用提供参考。方法根据最新文献，进行归纳分析，研究其应用研究的新进展。结果：纳米二氧化钛应用于太阳能电池，主要介绍了纳米管、纳米线和纳米薄膜在染料敏化太阳能电池和有机光伏太阳能电池(OPV)中应用的最新研究成果。这两种太阳能电池也是新型太阳能电池研究的两大热点。太阳能电池作为清洁环保的绿色可再生能源，将是未来发展和应用研究的重点。结论：纳米二氧化钛在太阳能电池中的应用大大提高了光电转换效率，延长了太阳能电池的使用寿命，但在商业化大规模生产的过程中仍有许多问题需要解决。:纳米二氧化钛；太阳能电池；绿色能源；染料敏化；光电转换介绍文献分析纳米二氧化钛的研究趋势已有报道1，但没有涉及具体的应用实例，只是对进入21世纪以来的研究文献(包括专利文献和非专利文献)进行了统计分析，本文对纳米二氧化钛在电池中的应用进展进行了简要概述。随着化石燃料的枯竭和燃烧后对环境的负面影响(主要是温室效应)，人们越来越重视清洁环保能源的开发和利用。倡导低碳经济是在可持续发展和环境保护的背景下提出的。太阳能利用是环境友好的清洁能源之一，光伏电池的研发是太阳能利用的关键。纳米技术在光伏电池中的应用极大地提高了其光电转换效率，尤其是纳米材料在光伏电池中的应用对其快速发展起到了很强的推动作用，纳米二氧化钛就是典型的代表。二氧化钛是一种具有良好电子导电性的纳米半导体，特别是溶胶-凝胶法制备的纳米二氧化钛，可用作空穴阻挡层、激子阻挡层、O2和H2O阻挡层、铝和P3HT:PCBM之间的反应阻挡层等。2。除了应用于太阳能电池，二氧化钛还广泛应用于燃料电池和其他蓄电池，如锂离子电池等。下面的例子分别进行简要总结。2.纳米二氧化钛的制备2.1纳米二氧化钛粉体的制备目前，制备纳米二氧化钛粉体的方法有很多种，根据所需粉体的形状、结构、尺寸、晶型和用途选择不同的制备方法4。根据粉末制备的不同原理，这些方法可分为物理法、化学法和综合法。无论采用何种方法，制备的纳米粉体应满足以下条件：表面光滑；颗粒的形状、粒径和粒径分布可控；颗粒不易团聚；易于收集；良好的热稳定性；高产。物理方法3是最早制备纳米材料的方法，它使用高能耗来“迫使”材料“精炼”以获得纳米材料。物理方法具有产品纯度高的优点。常用方法：蒸汽蒸发沉积和蒸发凝聚。还有化学方法3:液相化学反应(溶胶-凝胶法、沉淀法、微乳液法等)。)，气象化学反应(气相水解法、热解法)，综合方法(激光化学气相沉积法、等离子体化学气相沉积法)。2.2纳米二氧化钛薄膜的制备基于溶胶凝胶的涂覆方法，金属有机化学气相沉积方法，阴极电沉积方法5，阴极真空溅射凝胶直接成型法制备纳米二氧化钛块体陶瓷。6其特征在于，粉末制备和成型过程同时进行，并且省略了湿法粉末的干燥过程，从而有效地降低了结块形成的可能性。所得生坯具有较好的结构均匀性，有利于低温烧结纳米陶瓷。该工艺首先将异丙醇钛的纯溶液在25水解，通过滴加硝酸调节酸碱度进行胶溶；此后，将获得的氧化钛溶胶在40的温度下干燥。和60%的相对湿度来获得氧化钛凝胶。然后在不同温度下进一步煅烧，最终得到纳米陶瓷。2.4纳米二氧化钛在太阳能电池中的应用背景纳米二氧化钛广泛用于牙膏、防晒霜和其他消费品，但其年用量仅为36.4万公斤。作为染料敏感太阳能电池的关键材料之一，纳米二氧化钛每年在全球消耗超过4.5亿公斤。纳米二氧化钛需求的变化趋势可以从OPV(有机光伏太阳能电池)和太阳能电池未来需求的变化趋势中反映出来，未来5年需求将继续增长2，但增速只会逐年放缓。这一变化趋势与当前的低碳经济和环保问题密切相关，因为太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁环保能源。传统太阳能电池依靠晶体硅等半导体材料实现光伏效应，将光能转化为电能。这种利用太阳能的方法虽然有效，但成本很高。为了减少对足量硅的依赖，降低装配成本，提高面板的刚性，出现了“第三代技术”，主要包括有机技术、纳米技术和球形技术。OPV研究的发展始于20世纪70年代。与单晶硅太阳能电池相比，OPV的成本低得多，因此被认为是低成本和有效利用太阳能的理想选择。该技术本身仍处于发展过程中，但它显示出有机技术的明显优势，如低成本、易加工、应用和制造工艺的多样性、灵活性和功能性。然而，太阳能电池的转换效率低和耐用性差(使用寿命短)是其明显的缺点。3.纳米二氧化钛在太阳能电池中的应用3.1。纳米二氧化钛在OPV的应用OPV根据结构可分为单层OPV(见图2a)、双层OPV(见图2b)和多层OPV 8。单层OPV由透明电极/有机光敏半导体/电极组成。1994年，r . n .马克2和其他人制造了这种电池。它们在氧化铟锡和低功函数阳极之间夹有一层50-320纳米的聚对苯基乙烯基有机光敏半导体材料。该器件的量子效率为0.1%，能量密度为0.1毫瓦/平方厘米。由于双层OPV电池比单层OPV电池多了一层电子受体，产生的光电子e-可以尽快转移，避免了e-和电子空穴H的复合，双层OPV电池的量子效率提高了10倍达到1%。从各种研究结果可以看出，人们对光敏染料太阳能电池和聚合物太阳能电池的热情从未因为它们的低转换率而改变。相反，随着纳米技术的发展和纳米材料的广泛应用，科学家们已经看到了低成本光敏太阳能电池和聚合物太阳能电池的发展前景。3.2。纳米二氧化钛薄膜在太阳能电池中的应用DSSCs作为第三代太阳能电池，是目前最有潜力的硅太阳能电池的廉价替代品。它使用廉价的宽带隙氧化物半导体制备具有多孔结构和高比表面积的纳米晶薄膜。大量光敏染料被吸附在薄膜上，选择合适的氧化还原电解质用染料捕获阳光10。目前，该电池的最高光电转换效率超过12%，接近传统的非晶硅光伏电池。生产工艺简单，不需要超高温、超高真空和超高纯度的生产工艺。成本只有硅太阳能电池的十分之一。该生产工艺适合工业化大生产，具有吸引力二氧化钛薄膜作为染料吸附和电子传输的载体，是染料敏化太阳能电池的关键。它的性能直接影响电池的效率。王立伟9等人深入讨论了二氧化钛薄膜厚度、四氯化钛处理的电极和大颗粒散射层的添加对电池效率的影响。结果表明，在一定范围内增加二氧化钛电极的厚度可以显著提高电池效率，但当电极过厚时，薄膜中的缺陷态增加，降低了电子传输效率，导致光电流降低，电池效率降低。四氯化钛处理的电极增强了衬底的导电表面和薄膜界面之间以及二氧化钛颗粒之间的电接触，加速了电子传输并增强了光电流。散射层的引入提高了电池在长波波段的光捕获效率，从而提高了电池的效率。3.3。二氧化钛纳米棒/纳米粒子复合膜电极在染料敏化太阳能电池中的应用影响染料敏化太阳能电池光电转换效率的主要因素包括染料对太阳光的有效吸收、光生电荷的快速分离和电子的快速传输。与纳米粒子相比，在晶体膜电极中掺杂二氧化钛一维纳米材料如纳米管18、纳米线、纳米带和纳米棒11可以提高电子传输效率，有效抑制电子复合，改善光散射。这些因素对于提高DSSCs的性能非常重要。赵丽12等人已经制备了二氧化钛纳米棒/纳米粒子复合薄膜电极和组装的染料敏化太阳能电池：将制备的不同二氧化钛纳米棒含量的晶体薄膜电极浸泡在0.5 mmol/L的N719染料乙醇溶液中12小时，使染料完全吸附在二氧化钛上，吸附在表面的染料取出后用乙醇反复洗涤， 以染料敏化晶体薄膜电极为阳极，镀铂电极为阴极，向缝隙中滴加电解液，封装后得到染料敏化二氧化钛薄膜电极。 电解质溶液的制备如下：将0.05摩尔LiI和0.005摩尔I2加入100毫升乙腈溶液中充分振荡，然后加入0.01摩尔4-叔丁基吡啶(TBP)溶解，将制备好的电解质溶液放入棕色瓶中，避光避光储存。根据各种表征分析，随着二氧化钛纳米棒含量的增加，P25晶体薄膜的光电转换效率不断提高。当二氧化钛纳米棒含量增加到20%时，电池的光电转换效率达到最大值(4.66%)。如果纳米棒的含量继续增加(25%)，电池的短路电流密度和转换效率将会降低到一定程度，这可能是由于纳米棒之间的团聚而形成较大的空穴造成的。这种松散的结构导致电解质渗透到内层并接触导电玻璃的导电表面，从而形成大的暗电流，这将降低电池的短路电流密度和光电转换效率。尽管电池的光电转换效率与公开的结果仍有些不同，但从测试结果可以看出，二氧化钛纳米棒的加入影响了P25晶体膜电极。随着二氧化钛晶体薄膜的厚度、电解液的配方和对电极的优化，相信电池的性能会进一步提高。3.4。二氧化钛纳米管阵列在太阳能电池中的应用随着纳米制造技术的发展，一种新型的二氧化钛纳米结构二氧化钛纳米管阵列(二氧化钛纳米管阵列，二氧化钛纳米管阵列)7被发现并广泛应用于太阳能电池、光催化剂、气体传感器、超级电容器等领域。与传统的二氧化钛纳米晶相比，二氧化钛-NTAS易于制备，通过阳极氧化直接生长在钛片上，二氧化钛-NTAS/钛可以直接用作光电极。二氧化钛NTAS具有特殊的结构、较大的比表面积和较强的吸附能力。因此，在二氧化钛基染料/量子点敏化太阳能电池中，有望获得更高的染料/量子点负载量，从而获得高效、廉价的太阳能电池。3.4.1。二氧化钛-NTAs染料敏化太阳能电池二氧化钛-NTAS对钛基体具有良好的附着力，所以二氧化钛-NTAS/钛可以直接作为光阳极，对电极为镀铂镜的透明导电玻璃。电解质一般采用液体电解质，即在有机溶剂如乙腈、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中加入碘盐和碘单质，形成I-/I3-氧化还原对13。根据国内外对二氧化钛-NTAs染料敏化电池的研究，可以发现光电转换效率逐年提高。杨峰7等得出结论，二氧化钛-氮钽酸盐染料敏化电池具有以下优点：(1)在相当的范围内，二氧化钛-氮钽酸盐/钛光电极比二氧化钛-氮铂/钛光电极具有更高的光捕获效率、电子迁移率、电荷收集率和电子迁移率、更长的电子寿命和更小的暗电流；(2)纳米管的长度对光电转换效率有很大影响。二氧化钛纳米管越长，相应的效率越高。(3)二氧化钛-NTAS的孔径越大，越有利于吸附更多的染料，效率相对提高。二氧化钛-NTAS染料敏化太阳能电池结构图3.4.2。二氧化钛-NTAs量子点敏化太阳能电池二氧化钛-NTAs/钛直接用作光阳极，反电极是铂片，电解质通常是硫化钠，量子点的敏化过程通常采用化学浴和电化学沉积14。量子点通常随机分散在二氧化钛纳米管的内壁和外壁上，以扩大二氧化钛纳米管的吸收范围。这种方法的优点是： (1)通过改变颗粒尺寸，可以很容易地调节半导体的带隙和光谱吸收范围；(2)光的吸收是带边的，有利于阳光的有效收集；粒子的表面改性可以增加光稳定性。(3)半导体量子点的本征偶极矩可以快速分离电荷；(4)量子点吸收一个光子并能产生多个光生电子15。3.4。二氧化钛纳米粒子/纳米线复合光阳极染料敏化太阳能电池王召16等人采用水热合成技术制备二氧化钛纳米线粉末，然后采用溶胶-凝胶技术制备钛酸丁酯溶胶，在溶胶中加入适量的二氧化钛纳米线制备凝胶浆料，并采用提拉法在透明导电玻璃上制备二氧化钛纳米粒子/二氧化钛纳米线复合膜光阳极。通过XRD、SEM、电池伏安特性和电化学阻抗谱，研究了二氧化钛纳米线的加入对光阳极结构、形貌和电池性能的影响。结果表明：(1)随着复合光阳极中二氧化钛纳米线添加量的增加，电池的短路电流密度和能量转换效率显著增加17，而开路电压和填充因子基本保持不变。(2)二氧化钛薄膜中电子传输阻抗和二氧化钛/染料/电解质界面的电荷转移阻抗是影响染料敏化太阳能电池总内阻的主要因素。随着复合光阳极中纳米线添加量的增加，二氧化钛/染料/电解质界面的电子转移阻抗和电荷转移阻抗显著降低，电子寿命延长，光电流显著增加，提高