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染料敏化太阳能电池(DSSCs),被认为是最有可能取代传统高成本的单晶硅太阳能电池的光电转化器件之一,受到了学术界和工业界的广泛关注。采用低温制备方法和柔性电极能降低生产成本并扩展DSSCs的应用范围,利用电子传递效率高的一维有序结构薄膜电极有望提高电池效率。因此柔性薄膜电极和一维有序阵列薄膜电极的低温制备是目前研究的热点和难点。
本论文主要开展了柔性TiO2纳米颗粒薄膜电极和高度有序TiO2纳米棒阵列薄膜电极的低温制备方法研究,并对薄膜电极进行了表征和性能研究,取得了一些有意义的结果:
1.利用分散法制备了分散性好、稳定性高、成膜性好的TiO2浆料。考察了pH值、分散剂种类和用量、工艺流程等各种因素对分散性能的影响,得到了浆料分散的最佳工艺流程。浆料分散采用联合稳定机制原理,首先对颗粒表面进行改性使其表面带有同种电荷而相互排斥,然后再对颗粒进行高分子包覆产生空间位阻。电荷排斥力和空间位阻的共同作用使得TiO2颗粒在浆料中稳定存在。
2.利用自制的浆料在柔性基底PEN/ITO上成膜,并通过UV照射去除薄膜中有机杂质,得到了附着力强且不含有机物的TiO2薄膜。相应的电池在100mW/cm2的光照下,获得了3.25％的光电转化效率。对TiO2粉末进行预处理提高其结晶度和预先除去一些表面的基团,使得电池的效率提高到3.64％。
3.利用过氧化钛配合物(PTC)低温晶化的特性,95℃常压下,在FTO导电玻璃基底上垂直生长了金红石型TiO2纳米棒阵列。研究结果表明:1)FTO基底的诱导作用是决定TiO2纳米棒阵列晶体结构主要因为,FrO中SnO2晶格和金红石TiO2晶格高度匹配(失配度小于3％)促使金红石相优先成核并长大,形成金红石型TiO2。2)H+和Ti4+的浓度影响薄膜的形成和质量:低浓度HCI和高浓度Ti4+使得TiO2沉积过快而得到无序颗粒薄膜；HCl浓度大于40％以及Ti4+浓度小于10mM时,不能形成任何形态的TiO2薄膜；只有当pH<2且Ti4+>30mM时才有可能生长TiO2棒阵列薄膜。3)Cl-的存在对纳米棒的形成起着决定性的作用。由于Cl-能在特定晶面上选择吸附,使得粒子的生长沿着[001]方向定向生长成垂直基底的纳米棒阵列。
4.TiO2纳米棒阵列薄膜作为DSSCs电池光阳极与溶胶凝胶法制备的TiO2颗粒薄膜光阳极作了对比,结果表明纳米棒阵列薄膜电池比颗粒薄膜电池的光电转化效率提高了20％。主要因为是纳米棒更有利于电子的传输,从而提高电子的收集效率。该TiO2纳米棒阵列薄膜还应用于DSSCs对电极中,结果表明用TiO2(100nm)/Pt对电极比用普通Pt对电极的电池效率提高15％,这是因为一定长度的纳米棒有利于Pt电极对I3-的催化还原。