基于染料敏化太阳能电池用的复合分级结构TiO2的可控制备及性能研究

As the key component material of dye-sensitized solar cells (DSCs), the features of the photoelectrode materials (such as surface area, facet, particle size, structure, surface structure and morphology, etc.) are all imported factors influencing the cell performance. Therefore, controlling the factors of the photoanode materials is not only one of important approaches to improve cell efficiency, but also one of major investigations in the field of dye-sensitized solar cells. Based on our previous research, in this program, solvothermal reactive system will be selected to prepare hierarchically-structured TiO2, the nucleation-crystallization-growth-self-assembly process and formation mechanism will also be investigated. Through tuning the experimental conditions such as Ti ion sources, concentration of Ti ion, pH value, acid-base source, surfactant, plane-controlling agent, reactive time and temperature, the control of morphology, size and facet of hierarchically-structured TiO2 is realized. Consequently, the knowledge and technology of controlled preparation of hierarchically-structured TiO2 will be acquired, and new principle and method of material controlled-synthesis will also be achieved. Influence of morphology, size, facet and phase of hierarchically-structured TiO2 on performance of DSCs will be investigated, which can provide a new way and method to improve the cell performance.

作为染料敏化太阳能电池的核心组成部分之一的光阳极，其材料的比表面积、晶面、颗粒尺寸、结构、表面形态以及形貌等，都是直接影响电池性能的重要因素。因此，对光阳极材料的这些因素进行调控，既是提高电池效率的重要途径之一，也是重点研究方向之一。在前期实验工作基础上，本项目拟通过对溶剂热反应体系的选择合成具有复合分级结构的TiO2，研究其成核-结晶-长大-自组装的过程及规律，探索其形成机理。通过对实验条件（如钛离子源、钛离子浓度、pH值、酸碱源、表面活性剂、晶面保护剂以及反应时间和温度等）的调控，实现对复合分级结构TiO2的形貌、尺寸、晶面等的调控，获得该复合分级结构TiO2的可控制备技术和知识，建立对该体系下控制合成材料的新原理和新方法；探讨该复合分级结构TiO2的形貌、尺寸、晶面及晶型等对染料敏化太阳能电池性能的影响规律，为染料敏化太阳能电池性能的提高探索新的方法和思路。

作为染料敏化太阳能电池的核心组成部分之一的光阳极，其材料的比表面积、晶面、颗粒尺寸、结构、表面形态以及形貌等，都是直接影响电池性能的重要因素。基于此，本项目旨在制备TiO2复合分级纳米结构，探索不同晶面和不同复合分级纳米结构的可控制备方法。并探索它们的形成机理。将合成的不同复合分级纳米结构制作染料敏化太阳能电池的光阳极，研究了该复合分级纳米结构和其暴露的主要晶面对光电化学性能的影响规律及机理。通过研究，我们取得了一些研究成果。（1）使用多元醇沉淀法和溶剂热法首次成功地制备了暴露（001）晶面的复合分级结构TiO2球；将制备的复合分级结构TiO2球作为染料敏化太阳能电池（DSSCs）的光阳极材料，与P25比，其具有优异的电池性能： Jsc为17.9 mAcm-2， Voc为0.65 V， ff为0.66，η为7.51 %。并且研究了大量暴露（001）晶面的复合结构TiO2球形成机理。（2）通过水热合成法制备TiO2纳米棒复合分级结构。使用表面活性剂四丁基氢氧化铵（TBAH）和溴化十六烷基三甲铵（CTAB）对TiO2纳米棒的形貌和结构进行调控，获得了暴露大量(100)面和(010)面的十字复合分级结构锐钛矿型TiO2纳米棒。（3）通过一步式的简易水热合成法制备出暴露大量{010}面的三维自分枝锐钛矿型TiO2纳米棒。在纳米棒的生长过程中，经历了奥斯特瓦尔德熟化、定向连接和晶体分裂三种生长机制。（4）对比研究了（010），（101）以及（001）晶面对染料N719的吸附能力。研究结果表明，（010）晶面具有最强的染料吸附能力，它的单位染料吸附量为5.49×10-7 mol·m-2。具有该吸附能力的晶面的复合分级结构TiO2的电池性能：短路电流密度为14.01 mA/cm2，开路电压为0.77V，光电转换效率为7.17%。