谁能给我一篇太阳能电池板的毕业论文？

1991年，瑞士学者Gratzel在Nature上发表文章，提出了一种以染料敏化纳米晶二氧化钛薄膜为光阳极的新型太阳能电池，具有制作简单、成本低、效率高、寿命长等优点。目前光电转换效率可达11%以上，因此成为新一代太阳能电池的主要研发方向[65438

染料敏化太阳能电池光电转换效率的提高归功于其独特的纳米晶多孔薄膜电极，可以使电子在薄膜中传输更快，比表面积大，可以吸附大量的染料，与染料的能级相匹配。因此，由于对染料敏化太阳能电池的复杂影响，许多科学家致力于制备具有良好功能和性能的TiO2纳米晶多孔薄膜电极[5，6]。在纳米TiO _ 2的三种晶型中，锐钛矿型的光电活性最好，在染料敏化太阳能电池中最实用，因此在制备纳米TiO _ 2时应尽量避免金红石相和板钛矿相。

对于TiO _ 2纳米晶的生长，许多研究者开始采用有机碱作为胶体溶剂，用水热法制备TiO _ 2纳米晶[7-9]。杨以三种有机碱为胶体溶剂制备了不同粒径和形貌的二氧化钛纳米晶。结果表明，有机碱的加入对纳米晶[10]的粒径、形貌和表面积有一定的影响。但是对于如何制备出满足染料敏化太阳能电池要求的晶型和形貌却鲜有讨论。

本章在水热法的基础上，以四甲基氢氧化铵(TMOH)、四乙基氢氧化铵(TEAOH)和四丁基氢氧化铵(TBAOH)三种有机碱为胶体溶剂，制备了TiO2 _ 2纳米晶，并将其应用于染料敏化太阳能电池，研究了不同制备条件对纳米晶形貌、粒径和光电性能的影响。

实验中的主要药物和仪器

钛酸四丁酯、异丙醇、聚乙二醇20000、碘、碘化锂、4-叔丁基吡啶(TBP)、OP乳化剂(Triton X-100)(AR，均购自中国医药集团上海化学试剂公司)；敏化染料(cis-[(dcbH2)2Ru(SCN)2)，Solonix sa。);四甲基氢氧化铵(TMAH) (25%)、四乙基氢氧化铵(TEAOH)(20%)、四丁基氢氧化铵(TBAOH)(10%)(均购自中国医药集团上海化学试剂公司)；温度可控的磁力搅拌器(德国IKA的C-MAG HS4)；马弗炉(上海实验电炉厂)；100 W氙灯(XQ-100 W，上海电光器件有限公司)；导电玻璃基板(FTO，15ω/cm2，北京建筑材料研究所)；x射线粉末衍射仪(XRD) D8-advance(布鲁克公司)；扫描电子显微镜(SEM)S-3500N(日本日立)；透射电子显微镜JEM-2010(日本)；红外光谱分析仪nicolet impact 410光谱仪；紫外-可见分光光度计UV-VIS3100(日本岛津公司)。

3实验部分

3.1纳米二氧化钛的制备

按照文献[6-11]中的制备方法，将等体积的钛酸四丁酯和异丙醇混合均匀，滴加到蒸馏水中，继续搅拌30分钟([H2O]/[Ti(OBu)4] = 150)，过滤，用水和乙醇溶液洗涤2-3次。

在强烈搅拌下，将所得沉淀加入到pH=13.6的含有有机碱的溶液中，并在100℃下搅拌24小时，得到半透明胶体。将所得胶体放入高压釜中(填充度小于80%)。在200摄氏度下进行12小时的水热处理。水热处理后，得到带有鱼腥味的乳白色混合物，表明有机碱分解为胺类化合物。将高压釜处理后的TiO 2胶体与沉淀物一起倒入烧杯中，并在50℃下浓缩至原始的1/5。然后加入20000聚乙二醇和几滴占TiO _ 2量20%-30%的Triton X-100，搅拌均匀，得到稳定的TiO _ 2纳米晶浆料。

3.2纳米晶薄膜电极的制备

将清洗干净的导电玻璃的四边用透明胶带覆盖，通过控制胶带的厚度和胶体的浓度[12]来控制薄膜的厚度，中间留有约1×1 cm2的间隙，用载玻片将酸性条件下制备的纳米晶TiO2胶体均匀地铺在间隙中。在空气中自然干燥后，温度升至450？c .热处理30分钟，以固化TiO2并烧掉有机物质，如聚乙二醇，并冷却至80？通过仪器测量，薄膜的平均厚度约为6微米。

将得到的纳米晶多孔薄膜在N3染料溶液中浸泡24小时，使染料充分吸附在TiO2上，取出后在乙醇中浸泡3-5分钟，洗去表面吸附的染料，避光自然干燥，得到染料敏化纳米晶多孔TiO2薄膜电极。首先，如上所述制备纳米晶多孔膜，并且所制备的膜的平均厚度为约4.5微米。然后再用透明胶带覆盖，在用TMAOH作胶体溶剂的条件下制备的大粒径纳米晶TiO2 _ 2浆料均匀地铺在与载玻片的缝隙中。在空气中自然干燥后，温度升至450？c热处理30分钟，反射层纳米晶薄膜的平均厚度控制在65438±0.5微米左右，热处理后得到双层纳米晶薄膜。浸泡染料，得到双层纳米晶薄膜电极。

3.3 DSSC的组装

染料敏化纳米晶多孔TiO2薄膜电极作为工作电极，镀铂电极作为对阴极[13]。通过向缝隙中滴加以乙腈为溶剂、以0.5mol/l LII+0.05mol/l I2+0.2mol/l TBP为溶质的液体电解质，封装后得到染料敏化太阳能电池。

3.4光电性能测量

太阳光模拟器采用100 W氙灯，其入射光强Pin为100 mW/cm2。在室温下记录短路电流ISC和开路电压VOC，利用公式计算填充因子ff和光电转换效率η。

3.5表征和分析

用D8-advance X射线粉末衍射仪测定了TiO2 _ 2的晶体结构。测试条件为:Cu Kα(λ=1.5405？)，电压:40 KV，电流:40 mA。扫描速度:6？/min，扫描范围:10？-80?。用KBr压片法测量了样品的红外光谱。测试条件为400-4000 cm-1，软件为OMNIC 6.0，扫描次数为30次。用JEM-2010(日本)透射电子显微镜(TEM)观察二氧化钛纳米晶的表面形貌和粒径。用紫外-可见分光光度计(UV-3100)测量了不同粒径TiO2纳米晶多孔膜电极吸附染料的吸光度。TG的升温速率为10 ℃/min，范围为室温至1000℃。测试仪器为SDT 2960同步DSC-TGA装置(美国TA设备)。

4结果和讨论

4.1有机碱对TiO2 _ 2纳米晶形貌和粒径的影响

杉本四叶和他的合作者研究了一些影响TiO _ 2纳米晶生长的因素，其中pH值、有机碱的烷基链长度、水热温度和水热时间对TiO _ 2纳米晶的尺寸和形貌有很大的影响[14-17]。发现四烷基有机碱被用作模板来控制二氧化钛纳米晶的形貌和尺寸。

因此，可以使用不同的有机碱来制备晶型完整、比表面积大、适合染料敏化太阳能电池光电传输的TiO2纳米晶。

用不同的有机碱作为胶溶剂制备的TiO2 _ 2纳米晶的TEM图像分别示于图A、B和C，其中TMAH作为胶溶剂，TEAOH作为胶溶剂，TBAOH作为胶溶剂。从图中可以看出，在相同的pH值下，当使用不同的有机碱作为胶溶剂时，所制备的纳米晶明显不同，这说明胶溶剂对TiO2纳米晶的粒径和形貌有很大的影响，并且随着有机碱胶溶剂的烷基链的延长，TiO2纳米晶的粒径减小，颗粒呈多面体状。以TMAOH为胶体溶剂时，TiO2纳米晶的颗粒多为四方相，宽度为12-20 nm，长度为20-40 nm，如图1a所示。以TEAOH为胶体溶剂时，TiO2纳米晶颗粒不均匀，形貌不规则，包括多面体和四面体。颗粒宽度为8-10纳米，长度为10-25纳米，如图1b所示。而当有机碱的烷基链长从两个碳原子增加到四个碳原子时，即以TBAOH为胶溶剂时，制备的纳米晶颗粒粒径均匀，形貌规则，多为立方，粒径一般在5nm左右，如图1c所示。在TiO _ 2纳米晶的水热生长过程中，有机碱首先吸附在TiO _ 2的晶核上，但吸附量随烷基链的长度不同而不同，吸附量越大，越会阻碍纳米晶的生长。发现[6]，烷基链越长，有机碱在晶核上的吸附力越大，会阻碍晶体的生长，所以随着有机碱烷基链长度的增加，纳米晶颗粒在减少；还发现胶溶剂的浓度不宜过大，过大时制备的TiO2纳米晶会出现严重的团聚现象[10]。

4.2有机碱对TiO2 _ 2纳米晶晶型的影响

是以三种有机碱为胶体溶剂制备的TiO _ 2纳米晶的XRD图谱，a是制备的TiO _ 2纳米晶自然风干后的XRD图谱，b是制备的三种TiO _ 2纳米晶在50℃热处理30分钟后的XRD图谱。

从图2a中可以看出，2θ = 25.3是TiO2纳米晶锐钛矿的特征峰，但还有一些其他杂峰，证明是有机胺的峰。当所制备的纳米晶在450℃下热处理30分钟时，图A中的杂质峰消失，并且TiO _ 2在2q =25.3、37.55、47.85、53.75、55.05和62.35处的衍射峰的D值都与标准PDF卡中的锐钛矿型TiO _ 2的衍射峰一致，这表明所制备的TiO _ 2是一致的。在传统水热法中，以硝酸为胶体溶剂制备的纳米晶TiO2含有少量金红石相和板钛矿相，其光电性能较差，影响了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。而以有机碱为胶体溶剂制备的TiO2纳米晶可以满足染料敏化太阳能电池中锐钛矿相的要求。随着有机碱烷基链的增加，样品的特征衍射峰宽逐渐增大，衍射峰逐渐减小，表明制备的纳米晶颗粒在减少，这与TEM的结果一致。

4.3二氧化钛纳米晶的热稳定性分析

这是用三种有机碱制备的二氧化钛纳米晶的红外光谱图。(a)将制备的纳米晶体粉末在80℃下干燥24小时，和(b)将制备的纳米晶体粉末在450℃下热处理65，438+0小时，光谱范围为400-4，000 cm-65，438+0。根据红外光谱，三种纳米晶的红外光谱相似。图3(a)中出现了一些有机化合物的键，如C-H，N-H，O-H，但这些结合键在450°C热处理1小时后消失，而TiO2 _ 2薄膜的红外光谱主要在500cm-1附近出现Ti-O-Ti键的伸缩振动峰，并未出现。这说明在有机碱条件下制备的TiO2纳米晶在450℃后为稳定的锐钛矿相，吸附在其表面的有机物被完全分解。从XRD结果(图3b)还可以得出结论，在450℃热处理后，所有有机化合物完全消失，这表明在450℃以上热处理后，二氧化钛化合物可以结晶成稳定的锐钛矿相TiO2纳米晶体

有机碱为胶体溶剂制备的二氧化钛纳米粉体热稳定性的TG分析。这些纳米晶体粉末在65438±005℃下干燥24小时，没有任何热处理。从图中可以看出，有两个失重过程。

第一个过程是100 ~ 250°C之间的明显失重，可以认为是吸附在纳米晶粉末表面的水分子和部分醇类的损失。第二个过程是250 ~ 400°C之间的失重，这是由于粉末中吸附的有机成分的损失。有机化合物和制备的氧化物之间存在强键和相互作用，并且这些有机化合物包裹氧化物。当温度达到400℃时，这些键和相互作用将消失，有机化合物将完全分解，这表明有机化合物与纳米晶颗粒之间的力结合不是太大，不会影响纳米晶的结晶。此外，还发现在不同有机碱胶体溶剂中制备的纳米晶粉体的失重明显不同，以TBAOH为胶体溶剂时的失重明显高于以TMOH为胶体溶剂时的失重，表明前者表面吸附了更多的有机物。有机物吸附量的不同表明所制备的纳米晶粉末的形貌和粒径存在明显差异[14]，这与TEM的结果一致。当TBAOH用作胶体溶剂时，TiO2纳米晶颗粒具有较小的表面积，这使得吸附在纳米晶表面的有机物增加，因此它们在热分解过程中损失更多的重量。但是，当使用TMAOH作为胶体溶剂时，制备的TiO2纳米晶颗粒明显大得多，表面积小，因此吸附的有机物会减少，因此热分解过程中的失重较少。从失重也可以简单分析所制备的纳米晶颗粒和形貌的异同。

用有机碱作为胶体溶剂制备二氧化钛纳米晶会对其晶型和稳定性产生一定的影响。图5是用有机碱TEAOH作为胶体溶剂制备的TiO2纳米晶体和分别在300℃、500℃、700℃、800℃和900℃烧结65，438±0小时的样品的XRD光谱。在TiO2纳米晶的晶型中，2θ= 25.3°处的峰为锐钛矿相的特征衍射峰，2θ= 27.4°处的峰为金红石相的特征衍射峰。从图中可以看出，TiO2纳米晶在800°C烧结前晶型没有变化，800°C烧结后出现金红石相晶体，这与Young等人[18]的研究结果一致。据报道，当烧结温度达到600°C时，锐钛矿晶体开始向金红石晶体转变[19]。但是，以有机碱TEA OH为胶体溶剂制备的TiO 2纳米晶由锐钛矿型向金红石型转变的温度有所提高，表明以有机碱TEA OH为胶体溶剂制备的TiO 2纳米晶的热稳定性有所提高。这种稳定性表明锐钛矿型TiO 2纳米晶可以在较高温度下烧结而不改变其晶型，即没有金红石型纳米晶出现。

4.4 BET与染料吸附能力的研究

分析了以不同有机碱为胶溶剂制备的TiO 2纳米晶粉末的比表面积。实验结果表明，以有机碱TMOH为胶溶剂制备的TiO 2纳米晶粉体的比表面积为66 m2·g-1，而以TEAOH和TBAOH为胶溶剂制备的TiO 2纳米晶粉体的比表面积分别为78 m2·g-1和82 m2·g，这与粒径越大，比表面积越小的结果相一致。颗粒大小如图1所示，说明颗粒越小，比表面积越大。

发现染料(RuL2(SCN)2)的吸附量不一定随比表面积的增加而增加。为了研究染料敏化太阳能电池用TiO2纳米晶多孔膜对染料的吸附量，将敏化电极在5 mL 0.05 mol/L NaOH溶液中解吸，然后分析染料碱性溶液的吸光度。紫外-可见吸收光谱的结果如图5所示。在图中，曲线A、B和C分别是通过使用TMOH、TEAOH和TBAOH作为胶体溶剂制备的TiO2纳米晶体。根据朗伯-比尔定律，吸光度随着浓度的增加而增加。结果表明，以TMAOH为胶体溶剂制备的TiO2纳米晶对染料的吸附量最少，这与比表面积较小相一致，但吸附量远小于其他两种纳米晶。虽然以TBAOH为胶体溶剂制备的TiO _ 2纳米晶比以TEAOH为胶体溶剂制备的TiO _ 2纳米晶的比表面积大，但后者比前者吸收更多的染料。这里可能的解释是，用TBAOH作胶体溶剂制备的TiO _ 2纳米晶颗粒太小，达不到10nm，所以用TBAOH制备的纳米晶多孔膜太致密，使得吸附的染料减少。

4.5染料敏化太阳能电池的光电性能研究

用有机碱制备了三种不同形貌和粒径的TiO2纳米晶，并用于敏化电极研究染料敏化太阳能电池的光电性能，如图6所示。表1给出了三种不同电极的组装电池的短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率的数值。在100 mW/cm2光照下，三块电池的短路电流分别为10.7、13.1、10.4 mA/cm2，开路电压分别为0.779、0.700和0.698V，填充因子分别为0.52。0.62?0.60，光电转换效率分别达到4.4%？5.67%?4.4%。从实验结果可以看出，用有机碱TEAOH制备的TiO2纳米晶组装的电池的光电转换效率高于另外两种电池。

可以看出，有机碱TEAOH制备的电池的开路电压低于有机碱TMAOH制备的电池，但电池的短路电流和填充因子高于其他两种有机碱制备的TiO2组装的电池。这可能是因为用有机碱TEAOH制备的(1) TiO2纳米颗粒比较温和，多孔膜中的颗粒结合紧密，从而提高了电子在膜中的传播速度；(2)与其他两种多孔膜相比，研究表明吸附染料的量与产生的光电流成正比。吸收的染料越多，产生的光电流越大。以有机碱TEAOH为胶体溶剂制备的TiO2多孔膜对染料的吸收最多，用其组装的染料敏化太阳能电池短路电流最高，光电转换效率最好。

5结论

本章以钛酸四丁酯为原料，以三种有机碱为胶体溶剂制备TiO2纳米晶，以三种敏化纳米晶多孔膜为电极组装染料敏化太阳能电池，并测试其光电性能。研究了这三种有机溶剂对TiO2纳米晶生长的影响。用三种不同烷基链的有机碱制备的纳米晶的形貌和尺寸差异很大。发现随着烷基链的延长，纳米晶的形貌开始变得规整，粒径也变小。但是，有机碱的浓度不能太高，否则会导致纳米晶的团聚。因此，当使用有机碱作为胶体溶剂时，采用pH = 60。通过热稳定性分析发现，吸附在TiO2纳米晶表面的有机碱在450°C热处理后完全分解，说明在制备纳米晶多孔膜时有机物已经完全分解，多孔膜为纯的TiO2纳米晶。由于三种TiO2纳米晶的形貌和尺寸不同，所制备的多孔膜对染料的吸附量也不同。发现以有机碱TEAOH为胶体溶剂制备的TiO _ 2敏化电极对染料的吸附量最大，电池的光电性能测试也表明，用这种TiO _ 2纳米晶制备的电池开路电流达到13.1ma·cm-2，光电转换效率达到5.67%，高于其他两种电池， 表明以有机碱TEAOH为胶体溶剂制备的TiO _ 2纳米晶的形貌和尺寸优于其他两种有机碱。 更多毕业论文，请到。