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摘 要

染料敏化太阳能电池是一种成本低廉、制备工艺操作简单和效率相对较高的新型太阳能电池。在电子产业应用最广泛的半导体材料TiO₂ 在可以有效地改善太阳能电池的光电性能。基于以上，本论文的主要工作概括如下：

应用十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，在水溶液中将四氯化钛水解形成TiO₂前驱体化合物，再通过水热过程合成TiO₂微球，该微球粒径440nm左右，表面是大量纳米颗粒。XRD图像显示水热之后TiO₂微球是金红石型。紫外-可见吸收漫反射测试表明该微球具有较低的染料吸附量，同时也具有较好的光散射性能。使用该TiO₂微球制备DSSC，光电转化效率为2.3%。将该TiO₂微球作为光散射层与锐钛矿纳米颗粒组成双层膜结构光阳极，优化后的DSSC光电转化效率达到6.69%，与纯锐钛矿纳米颗粒组装的DSSC(5.97%)相比，效率提升了12%。

关键词：TiO₂微球 光散射 太阳能电池

Preparation of mesoporous titanium dioxide microspheres and its application in dye sensitized solar cells

Abstract

Dye-sensitized solar cell is a new type of solar cell with low cost of production, simple operation and high efficiency. TiO₂ semiconductor material can effectively improve the photovoltaic performance of solar cells and it is most widely used in the cells. Using carbon materials replace the expensive noble metal in the counter electrode can greatly reduce the production cost of the cells. Based on the above, the main work of this paper is summarized as follows:

The titanium tetrachloride was hydrolyzed in the aqueous solution to form the TiO₂ precursor compound with the ltrimethyl ammonium bromide as a surfactant, then resynthesis TiO₂ microspheres by hydrothermal process. The particle size of TiO₂ microspheres is around 440 nm, and the surface of microspheres is consists of a large number of nanoparticles. XRD patterns show that the crystal form is turned into rutile after hydrothermal process. UV-Vis diffuse reflectance tests show the microspheres have low adsorption amount of the dye and good light scattering properties. The DSSC prepared with TiO₂ microspheres obtained a photoelectric conversion efficiency of 2.3%. A double layer photoanode with anatase TiO₂ nanoparticles and microspheres was fabricated to optimize the photoelectric properties, and the final conversion efficiency was improve to 6.69%, which is a 12% higher than that of pure anatase TiO₂ nanoparticles (5.97%).

Key Words: TiO₂ microspheres；Light-scattering；Solar cell

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 二氧化钛概述 2

1.2.1 纳米TiO₂的结构特征和基本性质 2

1.2.2 纳米TiO₂的制备方法 3

1.3 纳米TiO2的应用 4

1.4 染料敏化太阳能电池概述 4

1.4.1 DSSCs的结构 4

1.4.2 染料敏化太阳能电池的工作原理 6

1.4.3 染料敏化太阳能电池主要性能评价参数 8

1.5 论文的选题和研究内容 10

第二章 TiO₂介孔微球的制备及其在染料敏化太阳能电池中的性能优化

12

2.1 实验部分 12

2.1.1 实验药品与试剂 12

2.1.2 实验过程 13

2.1.3 分析与表征 14

2.2 结果与讨论 15

2.2.1 二氧化钛微球的表面形貌与结构 15

2.2.2 DSSC性能测试 16

2.2.3 光阳极的性能表征 18

2.3 本章小结 23

第三章 结论 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 文献综述

1.1 引言

21世纪，人类社会进入快速发展阶段，对能源的需求量也日益激增，人们没有可持续发展的理念，不计后果地大量开采、使用、浪费传统能源，造成了此类能源的日益枯竭；同时，化石能源的开采、运输、加工、利用也带来大批污染物的排放，严重污染了环境。目前，水污染、臭氧层破坏、全球变暖等环境问题已成为全世界各国共同面对的难题，而传统化石能源的日益枯竭也为社会的发展带来严峻的挑战。长期以来为解决日益凸显的环境的问题，安全可靠的可再生能源越来越受到人们的青睐。

新型能源^[1]当中太阳能具有取之不尽、成本低廉、无需运输、绿色无污染等优点而倍受青睐^[2,3]。太阳能是氢原子核在超高温条件下产生聚变所释放出来的能量，是人类生存的巨大来源之一，例如化石能源、风能、生物质能等均来自于太阳的能量。辐射到地球大气层太阳能的能量高达1.73×10¹⁷ W，只占其总能量的20亿分之一，有研究表明只需要利用到达地表的0.1%的太阳光即可满足当前的能量需求^[4]。根据其利用情况，太阳能利用可分为四大类：直接利用太阳能型、间接利用太阳能型、生物质能型和太阳能电池^[5]。其中太阳能电池的光利用率最高，运输简便并且可以将转化的电能储存起来加以使用，愈来愈多的人开始这方面的研究。

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