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摘 要

染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种模仿光合作用原理的、廉价的薄膜太阳能电池。其有原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单等优势，在大面积工业化生产中具有较大优势，同时所有原材料和生产工艺都无毒无污染，对环保具有重要意义。本文概述了二氧化钛颗粒的制备方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究。以异丙醇钛和钛酸四丁酯为钛源，乙酸为溶剂，在150 ℃下水热合成TiO₂颗粒。实验借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等表征手段，对产物的形貌、结构进行表征。SEM结果表明TiO₂颗粒由表面粗糙的亚微米球形结构组成，XRD图谱表明所制备的TiO₂为锐钛矿型。将制备所得的球形TiO₂颗粒用于染料敏化太阳能电池的光阳极，组装制备染料敏化太阳能电池，并对其光电转换效率进行表征，结果表明将所制备样品作为光散射层时的电池效率达到最高，为6.11%。

关键词： 二氧化钛 光电性能 染料敏化太阳能电池

Preparation of TiO₂ functional materials and application in the dye-sensitized solar cells

Abstract

Dye-sensitized solar cell (DSSC) is a principle to imitate photosynthesis thin-film solar cell, which is low cost and simple in processing technology with abundant raw materials. It has great advantages in large-scale industrial production. Moreover, it has important implications for environmental protection, due to the non-toxic and non-polluting of all raw materials and production. Here, we report the preparation of the TiO₂ particles and its application in dye sensitized solar cell. The TiO₂ particles are prepared by hydrothermal method in the condition of 150 ℃ with the titanium source of isopropanol titanium and solvent of acetic acid. The morphology and structure of the product were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The SEM shows that the TiO₂ particles are composed of submicrometer spherical structure with rough surface. The XRD demonstrates that the as-prepared TiO₂ particles are anatase. We assembled the as-prepared TiO₂ in dye-sensitized solar cell. It has the highest power conversion efficiency of 6.11% when the sample was used as light scattering layer.

KEYWORDS：TiO₂； Photoelectric performance；Dye-sensitized solar cell

目录

TiO₂功能材料的制备及在染料敏化太阳能电池中的应用研究 I

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1能源现状 1

1.2染料敏化太阳能电池的综述 2

1.2.1染料敏化太阳能电池的基本概况 2

1.2.2染料敏化太阳能电池的基本结构 2

1.2.3染料敏化太阳能电池的未来展望 5

1.3 二氧化钛材料在染料敏化太阳能电池中的应用 5

1.4染料敏化太阳能电池面临的问题 5

1.5论文选题和研究内容 6

第二章 实验部分 8

2.1实验试剂 8

2.2主要实验仪器 8

2.3实验过程 8

第三章 结果与讨论 11

3.1形貌与结构 11

3.2电池的I-V曲线 12

3.3染料吸附量分析图 13

3.4漫反射分析图 14

3.5阻抗分析图 15

实验总结 17

参考文献 18

致谢 20

第一章 文献综述

1.1能源现状

能源与环境是当今社会的两大热点，随着经济不断发展，对能源的需求量也越来越高，而煤、石油、天然气等不可再生能源的日渐枯竭使得能源成为制约经济社会发展的障碍^[1]。同时，在使用传统能源例如煤、石油等时，会释放大量有害气体，对人类赖以生存的生态环境造成污染和破坏，例如温室效应^[2]。因此，开发利用可再生、无污染的绿色能源迫在眉睫。太阳能与风能是目前利用率较高的两种可再生绿色能源。然而，风能不稳定，风能的利用在很大程度上受地域条件的限制。太阳能作为一种新型可再生能源被人们广泛利用具有不受地域限制，不存在运输问题的优势，在地球上的资源丰富，分布广泛。太阳能电池在这种能源需求情况下走向了一个飞速发展的阶段。光伏效应由法国科学家Becquerel在1839年首次发现，但直到1954年，才由Bell实验室首次成功制备出具有实用性的P-N结太阳能电池，效率达6%^[3，4]。在随后50多年时间里，光伏电池得到迅速发展。通过全世界各研究机构和企业的不断努力，更多更好的太阳能技术应运而生。

目前，按照半导体材料的不同，太阳能电池可以分为：（1）硅太阳能电池，包括单、多晶硅和非晶硅太阳能电池；（2）以无机多元化合物（如Ⅲ-Ⅴ族砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓铟（InGaP）和Ⅱ-Ⅵ族碲化镉（CdTe）、硒化铟铜（CuInSe₂）等）为材料的太阳能电池^[1,5]；（3）功能高分子材料太阳能电池；（4）有机太阳能电池等。由于硅材料来源丰富，硅太阳能电池技术发展最为成熟，应用最为广泛。目前，硅基太阳能电池组件一直占太阳能市场总量的80 %以上。但是受到材料特性的限制，硅基太阳能电池的转化效率几乎达到最佳水平，很难再有所提高，且复杂的制作工艺和高昂的制作成本一直制约着硅基太阳能电池的进一步大规模应用。虽然随后发展起来的无机多元化合物电池效率较高，制作工艺相对简单，成本也较低，但稀有材料的来源限制了这类电池的发展。^[5]

于20世纪70年代开始逐渐发展起来的有机太阳能电池具有原料丰富，工艺简单，成本低廉等优点，最有望成为传统太阳能电池的替代品，受到人们的广泛关注。有机太阳能电池主要分为三种基本形式：肖特基型、P-N异质结型和染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells, DSSC）。而到目前为止，肖特基和异质结太阳能电池的效率都很低，且电池稳定性差，寿命短，要想真正做到实用化还有很长的路要走。^[6,7]DSSC作为一种全新的太阳能电池，效率接近传统硅基太阳能电池，制备工艺简单，不需要昂贵的设备和高洁净厂房设施，成本大大降低，且原料丰富，环境友好，是最有发展前景的新一代电池，因而受到国内外科学家的普遍重视。

1.2染料敏化太阳能电池的综述

1.2.1染料敏化太阳能电池的基本概况

近年来人们着力于研究如何制造出高效利用太阳能的太阳能电池，以此来解决日益严重的能源问题。晶体硅等半导体太阳能电池虽然达到了大于20％的高功率转换效率，但较高的生产成本和繁琐的加工条件使得此类太阳能电池的产业化受到极大阻力。继多晶硅及薄膜太阳能电池之后，第三代太阳能电池产品——染料敏化太阳能电池产业化开发取得突破。染料敏化太阳能电池是一种廉价的薄膜太阳能电池。它是基于由光敏电极和电解质构成的半导体，是一个电气化学系统。染料敏化太阳电池是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池。其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。

1.2.2染料敏化太阳能电池的基本结构

染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt 对电极组成，其结构如图1-1

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