敏化太阳能电池PPT精选文档

1、Sahu, Gordon, Tarr*. RSC Advances, 2012, 2, 573582AuAu纳米线纳米线TiOTiO2 2纳米管核壳结构纳米管核壳结构的制备及其在染料敏化太阳能电池上的应用的制备及其在染料敏化太阳能电池上的应用Synthesis and application of core-shell AuTiO2 nanowire photoanode materials for dye sensitized solar cells1文献文献CHI660D2.12.1工作方式工作方式 2.2 2.2恒电位沉积恒电位沉积实验Synthesis and application

2、of core-shell AuTiO2 nanowire photoanode materials for dye sensitized solar cells2文献部分目录介绍介绍实验部分实验部分结果与讨论结果与讨论结论结论收获收获31、介绍1.11.1提高染料敏化太阳能电池的效率提高染料敏化太阳能电池的效率有两大方向：有两大方向：一是提高光电子的传输速率；二是增强光吸收能力一是提高光电子的传输速率；二是增强光吸收能力。所以，用于染料敏化太阳能电池所以，用于染料敏化太阳能电池TiOTiO2 2光阳极：光阳极：（1 1）早期的介孔）早期的介孔TiOTiO2 2纳米粒子：纳米粒子：优点：比表面

3、积优点：比表面积 染料吸附量染料吸附量缺点：电子扩散系数小缺点：电子扩散系数小（2 2）一维纳米结构）一维纳米结构TiOTiO2 2纳米管：纳米管：优点：定向电子传导能力优点：定向电子传导能力 电子复合率电子复合率 电子扩散系数电子扩散系数缺点：虽然比表面积大，但较缺点：虽然比表面积大，但较TiOTiO2 2纳米纳米粒子的小了很多。纳米纳米粒子的小了很多。（3 3）复合结构）复合结构如核壳结构如核壳结构ZnO-TiOZnO-TiO2 2、Au-TiOAu-TiO2 2等。本文等。本文AuAu纳米线纳米线-TiO-TiO2 2纳米管核壳结构有两纳米管核壳结构有两大优点：大优点：其一，作为壳层的其

4、一，作为壳层的TiOTiO2 2纳米管电子移动速度快。纳米管电子移动速度快。 其二，作为内核的其二，作为内核的AuAu导电性优良，化学和热稳定性好。同时，它增导电性优良，化学和热稳定性好。同时，它增 强了体系的光散射效应，进而使光吸收增强。强了体系的光散射效应，进而使光吸收增强。 纳米线与纳米管二者具有协同增强效应。纳米线与纳米管二者具有协同增强效应。41、介绍1.21.2本文内容本文内容1.2.11.2.1产物产物 本文制备了一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极材料：直径为本文制备了一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极材料：直径为200nm200nmAuAu纳米线为核，外径纳米线为核，外径300

5、nm300nm、长、长2-3m2-3m的多晶锐钛矿相的多晶锐钛矿相TiOTiO2 2纳米管阵列为壳纳米管阵列为壳层层的新颖复合结构的新颖复合结构 。1.2.21.2.2方法方法 采用基于采用基于AAOAAO的溶胶的溶胶- -凝胶法制备了凝胶法制备了TiOTiO2 2纳米管阵列，该过程有一下优纳米管阵列，该过程有一下优点：点：a a可以控制模板的膜厚和孔径实现对纳米管长度、管外径的控制；可以控制模板的膜厚和孔径实现对纳米管长度、管外径的控制；b b可可以控制时间实现对纳米管壁厚的控制。具体方法为之前有讲过以控制时间实现对纳米管壁厚的控制。具体方法为之前有讲过11。 采用恒电流沉积法，在采用恒电流

6、沉积法，在TiOTiO2 2纳米管内部沉积了纳米管内部沉积了AuAu纳米线。纳米线。1 Kang,Durstock*,et al.Nano Letters,2009,9,601-6065Process for preparing templated AuTiO2 core-shell nanowires2、实验部分62、实验部分2.1溶胶-凝胶制备二氧化钛纳米管AAOAAO（200nm200nm、6060m m）透明胶封其一端）透明胶封其一端TiOTiO2 2纳米管阵列纳米管阵列去除模板上多余溶胶去除模板上多余溶胶放于密封烧杯放于密封烧杯浸泡浸泡15-35min15-35minwt=3:1的的

7、Ti(OC3H7)4( (四异丙基钛四异丙基钛) )和乙醇和乙醇8585、15min15min12h12h空气中空气中500500、30min30min72、实验部分2.2恒电流下金纳米线沉积恒电流下金纳米线沉积AgAg作工作电极作工作电极Ag/AgClAg/AgCl作参比电极作参比电极PtPt丝作辅助电极丝作辅助电极DIDI清洗清洗3M NaOH,30min3M NaOH,30min-0.9mA-0.9mA、80min80minAAOAAO包含纳米管一面包含纳米管一面溅射一层溅射一层AgAgAgAg沾上双面胶，沾上双面胶，双面胶只揭开一面双面胶只揭开一面DIDI清洗清洗丙酮清洗双面胶丙酮清洗

8、双面胶82、实验部分2.3组装敏化太阳能电池组装敏化太阳能电池AuAu纳米线纳米线-TiO-TiO2 2纳米管复合结构的光阳极，实验采用了两种方法将其移至纳米管复合结构的光阳极，实验采用了两种方法将其移至FTOFTO基材上，基材上，用于组装电池。第一种方法见图用于组装电池。第一种方法见图a a，FTOFTO溅射溅射2 2mTiOmTiO2 23M NaOH3M NaOH、45min45min溅射溅射AgAg侧沾胶侧沾胶倒放在倒放在FTOFTO上上剥胶同时也带下剥胶同时也带下AgAg层层92、实验部分2.3组装敏化太阳能电池组装敏化太阳能电池AuAu纳米线纳米线-TiO-TiO2 2纳米管复合结

9、构的光阳极，纳米管复合结构的光阳极，第一种方法中有第一种方法中有2 2mTiOmTiO2 2层，而层，而第二种方法没有该层。具体步骤如图第二种方法没有该层。具体步骤如图b b，103 3结果与讨论结果与讨论3.13.1制样测试制样测试FESEM Carl Zeiss 1530 VP XRD Philips X-pert PW 3040 MPD X-ray(40 kV、40 mA) AAO模板在3M NaOH浸泡45min，干燥12h，用于FESEM和XRD。FESEM需要将纳米管阵列用环氧树脂胶黏在玻璃片上。TEM JEOL 2010AAO模板在3M NaOH浸泡30min，然后将此溶液移入小

10、玻璃瓶，加入少量甲苯超声5min。EDS113 3结果与讨论结果与讨论3.2TiO3.2TiO2 2纳米管的纳米管的XRDXRDFigure S5. XRD pattern of TiO2 nanotube array on a glass substrate after removal of the AAO membrane. Positions of anatase peaks are noted.从从XRDXRD分析得出，分析得出，27.4527.45的金红石衍射峰不存在，说明阵列是由多晶锐钛矿相构的金红石衍射峰不存在，说明阵列是由多晶锐钛矿相构成成。择优取向为。择优取向为(101)(1

11、01)。123 3结果与讨论结果与讨论3.3TiO3.3TiO2 2纳米管的纳米管的TEMTEM及及EDSEDS从从TEMTEM分析得出，图分析得出，图a a二氧化钛纳米管外径在二氧化钛纳米管外径在200nm,200nm,图图b b二氧化钛纳米管壁厚为二氧化钛纳米管壁厚为5-15nm5-15nm。133 3结果与讨论结果与讨论3.4TiO3.4TiO2 2纳米管的纳米管的FESEMFESEM及及EDSEDS从上图可以得知单位从上图可以得知单位m2上有上有8个纳米管，长度为个纳米管，长度为23m，外径，外径300nm。图。图b看出纳米看出纳米管发生了聚集，但是图管发生了聚集，但是图a和图和图b都

12、可以明显看出纳米管阵列是开孔，可以进行后续沉积。都可以明显看出纳米管阵列是开孔，可以进行后续沉积。143 3结果与讨论结果与讨论3.5Au3.5Au纳米线纳米线-TiO-TiO2 2纳米管核壳结构的纳米管核壳结构的FESEMFESEM及及EDSEDS上图是上图是AuAu纳米线纳米线-TiO-TiO2 2纳米管纳米管FESEMFESEM，图，图a-ca-c均为俯视图。图均为俯视图。图a a看出阵列存在聚集现象，看出阵列存在聚集现象，b b则说明则说明AuAu成功的沉积于成功的沉积于TiOTiO2 2纳米管。图纳米管。图d d说明产物只含说明产物只含TiTi、O O、AuAu元素。元素。153 3

13、结果与讨论结果与讨论3.6Au3.6Au纳米线纳米线-TiO-TiO2 2纳米管核壳结构的纳米管核壳结构的TEMTEM图中灰色部分是外径约为图中灰色部分是外径约为300nm300nm多晶锐钛矿多晶锐钛矿TiOTiO2 2纳米管，黑色部分是直径为纳米管，黑色部分是直径为200nm200nm的的AuAu纳米线。可以看出纳米线。可以看出AuAu完全填充纳米管，完全填充纳米管，生长机制：因为生长机制：因为AgAg的导电率远远大于的导电率远远大于TiOTiO2 2纳米纳米管，所以沉积从管底部开始，逐渐生长成为均匀、连续的核壳结构。但是产物为多晶，管，所以沉积从管底部开始，逐渐生长成为均匀、连续的核壳结构

14、。但是产物为多晶，降低沉积速率有可能获得单晶降低沉积速率有可能获得单晶AuAu。图。图dEDSdEDS说明产物只含说明产物只含TiTi、O O、AuAu元素，元素，CuCu是基材。是基材。163 3结果与讨论结果与讨论3.73.7太阳能电池的结构示意图太阳能电池的结构示意图Schematic of assembled TiO2 nanotube DSSC or AuTiO2 coreshellDSSC (NC = nanocrystalline). Not to scale173 3结果与讨论结果与讨论3.83.8各类太阳能电池的效率对比各类太阳能电池的效率对比表中为一系列电池的性能参数值。按

15、照前面实验步骤所述的两种方法分成两大类，即表中为一系列电池的性能参数值。按照前面实验步骤所述的两种方法分成两大类，即基体基体FTOFTO与纳米复合结构光阳极之间有无与纳米复合结构光阳极之间有无TiOTiO2 2层。各自又分别用层。各自又分别用AuAu和和TiClTiCl4 4对对TiOTiO2 2纳米管纳米管改性研究其应用于电池的效果。具体结论如下：改性研究其应用于电池的效果。具体结论如下：（1 1）上面八行存在）上面八行存在TiOTiO2 2粘连层，下八行没有。去除部分绝缘的粘连层，导电基体上的粘连层，下八行没有。去除部分绝缘的粘连层，导电基体上的电荷收集效率电荷收集效率 J Jscsc和和

16、（2 2）AuAu的存在的存在, ,与仅有与仅有TiOTiO2 2电池相比，尽管比表面积降低，但增加了电池相比，尽管比表面积降低，但增加了J Jscsc、V Vococ、FFFF、。（3 3）TiClTiCl4 4对整体结构的处理后形成一层二氧化钛，使得染料吸附增加，电子空穴复对整体结构的处理后形成一层二氧化钛，使得染料吸附增加，电子空穴复合降低，电池的合降低，电池的183 3结果与讨论结果与讨论3.9Au3.9Au和和TiCl4TiCl4对染料吸附量的影响对染料吸附量的影响表中第一行仅有厚表中第一行仅有厚2.12.1mm的的TiOTiO2 2层粒子层，第二、三和四行在层粒子层，第二、三和四行

17、在2 2mm厚的厚的TiOTiO2 2基层上增加基层上增加了纳米阵列了纳米阵列。尽管第一行的厚度不到后三行的。尽管第一行的厚度不到后三行的1/21/2，但其染料吸附量多出，但其染料吸附量多出15%15%左右。左右。194、结论1 1、产物：产物： 经经TiClTiCl4 4处理处理AuAu纳米线纳米线TiOTiO2 2纳米管阵列核壳型复合结构光阳极材纳米管阵列核壳型复合结构光阳极材料，与仅有料，与仅有TiOTiO2 2纳米管的电池相比，效率提高近纳米管的电池相比，效率提高近4 4倍。新颖的复合结构有倍。新颖的复合结构有望成为一个获得高效率敏化太阳能电池的方向。望成为一个获得高效率敏化太阳能电池

18、的方向。2 2、原因：原因：（1 1）金纳米线同样可以提供定向电子传输通路）金纳米线同样可以提供定向电子传输通路（2 2）复合结构增强了对光的散射，进而增加光吸收量。）复合结构增强了对光的散射，进而增加光吸收量。（3 3）TiClTiCl4 4处理主要作用是在复合结构表面形成光散射层。处理主要作用是在复合结构表面形成光散射层。3.3.发展：发展： 构造纳米阵列与导电基体的直接接触，即去除构造纳米阵列与导电基体的直接接触，即去除TiOTiO2 2粘连层粘连层 其它导电性优良的金属材料替代其它导电性优良的金属材料替代AuAu纳米线纳米线205、收获收获：收获：1.1.光阳极材料结构的复杂化成为一个

19、趋势，新颖的复合结构既保证了一定光阳极材料结构的复杂化成为一个趋势，新颖的复合结构既保证了一定量的染料吸附，又提高了光吸收，同时加快了电子移动速率。量的染料吸附，又提高了光吸收，同时加快了电子移动速率。2.2.复合结构的制备一般是两步法，即先通过一定的技术制备出纳米管阵列复合结构的制备一般是两步法，即先通过一定的技术制备出纳米管阵列（阳极氧化、基于模板的溶胶（阳极氧化、基于模板的溶胶- -凝胶等），然后通过另外一种技术（恒电凝胶等），然后通过另外一种技术（恒电位、电流沉积，液相合成法）在纳米管内沉积第二种物质。位、电流沉积，液相合成法）在纳米管内沉积第二种物质。3.3.本文信息量很大，本文信息

20、量很大，TiClTiCl4 4处理在复合结构表面形成的光散射层，可以增处理在复合结构表面形成的光散射层，可以增强强光吸收。光吸收。21 实验部分-2.1仪器工作方式2.12.1仪器仪器工作方式工作方式 电化学工作站是基于恒电位仪、恒电流仪、电化学交流阻抗分析仪三电化学工作站是基于恒电位仪、恒电流仪、电化学交流阻抗分析仪三种技术的有机结合种技术的有机结合。仪器可以用于二，三，四电极方式。上图为一个典型的三电极工作方式；仪器可以用于二，三，四电极方式。上图为一个典型的三电极工作方式；将其中的白色参比电极夹头和红色辅助电极夹头夹于同一铂丝对电极，绿将其中的白色参比电极夹头和红色辅助电极夹头夹于同一铂

21、丝对电极，绿色工作电极不变，就成为二电极方式；色工作电极不变，就成为二电极方式；引入黑色感受电极的夹头，成为四电极工作方式。引入黑色感受电极的夹头，成为四电极工作方式。222.2CHI2.2CHI的电化学技术的电化学技术23 实验部分-2.2恒电位沉积2.22.2三电极工作模式下的恒电位沉积技术三电极工作模式下的恒电位沉积技术 CHI660D CHI660D有很多种电化学技术可以实现恒电位沉积，包括有很多种电化学技术可以实现恒电位沉积，包括多电位阶跃多电位阶跃Multi-Potential Steps (STEP)Multi-Potential Steps (STEP)、计时电流法、计时电流法

22、Chronoamperometry (CA)Chronoamperometry (CA)和和电流电流- -时间曲线时间曲线Amperometric i-t CurveAmperometric i-t Curve等。下面简单介绍后两种方法：等。下面简单介绍后两种方法：2.2.12.2.1计时电流法计时电流法Chronoamperometry (CA)Chronoamperometry (CA)Low ELow E（最低电位）即所需的沉积电位；（最低电位）即所需的沉积电位；Pulse WidhPulse Widh（脉冲宽度）即所需的沉积时（脉冲宽度）即所需的沉积时间。间。24 实验部分-2.2恒电

23、位沉积2.2.22.2.2电流电流- -时间曲线时间曲线Amperometric i-t CurveAmperometric i-t CurveInit EInit E（初始电位）即所需的沉积电位；（初始电位）即所需的沉积电位；Run TimeRun Time（实验时间）即所需的沉积时间。（实验时间）即所需的沉积时间。25实验部分2.2恒电位沉积应用举例一CdSe1.11.1工作电极：工作电极：ITOITO；参比电极：溶于；参比电极：溶于3M NaCl3M NaCl的的Ag/AgClAg/AgCl；对电极：铂箔；对电极：铂箔1.21.2电解液电解液 0.01M SeO 0.01M SeO2 2

24、(99.9+%, Aldrich)(99.9+%, Aldrich)、 0.01M H 0.01M H2 2SOSO4 4 0.2M CdSO 0.2M CdSO4 4(99.99+%, Aldrich)(99.99+%, Aldrich)； 溶液：溶液：DIDI1.31.3恒电压沉积恒电压沉积 0.6V 0.6VByun, and Kim*, Adv. Mater.2010,22,2028-203226实验部分2.2恒电位沉积应用举例一CdSe1.11.1工作电极：工作电极：ITO+AAO(ITO+AAO(500nm500nm、50nm50nm) )；参比电极：溶于；参比电极：溶于3M NaCl3M NaCl的的Ag/AgClAg/AgCl； 对电极：铂箔对电极：铂箔1.21.2电解液电解液 0.01M SeO 0.01M SeO2 2(99.9%, SCRC)(99.9%, SCRC)、 0.01M H 0.01M H2 2SOSO4 4(SCRC)(SCRC) 0.2M CdSO 0.2M CdSO4 4(99.5+%, SCRC)(99.5+%, SCRC)； 溶液：溶液：DIDI1.31.3恒电压沉积恒电压沉积 -0.7V,200s -0.7V,200s 上述电压的确定采用循环伏安法上述电压的确定采用循环伏安法Cyclic Voltammetry