染料敏化太阳能电池中使用的TiO2纳米管的制备和热处理效果

洪林，宁王，罗庄张，春福林和剑宝李

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Azojomo（ISSN 1833-122X）第3卷2007年12月3日

主题涵盖

抽象的
关键词
介绍
结果和讨论
结论
承认
参考
联系方式

抽象的

染料敏化的太阳能电池（DSC）近年来的低成本突出。在目前的研究中，TIO₂制备具有高表面积的纳米管（TNT），其可用于染料敏化太阳能电池（DSC）的阳极电极。讨论了制备方法，热处理效果和电极的光伏性能。首先，通过具有商业抗溶酶TiO的水热法合成钛酸酯纳米管₂粉末作为原料。可以通过在450℃下热处理制备的钛酸酯纳米管来获得TNT。其次，电极30％TiO₂DSC的纳米管设计并成功制备。通过使用纳米电极作为DSC的光电码，获得了5.42％的光到能量转换效率。

关键词

染料敏化太阳能电池（DSC），电极，TIO₂，纳米管，水热。

介绍

随着能源资源的减少和环境保护的改善，可持续能量变得越来越必要和重要。专家估计，市场对太阳能电池的需求将继续持续增长25-30％。DSC从最后几十年来到世界上，具有低成本和简单简单的优点。DSC的示意图如图1所示。它由透明导电玻璃（TCG），纳米结构TiO组成₂电极吸收染料，电解质包括氧化还原^-/一世_3.^-和TCG上蒸发PT的对电极。

图鲁德1。DSC的示意图和工作机制

已经计算出DSC的理论转换效率约为33％。然而，目前的最高效率仅为11％[2]。这通常归因于TIO中的光诱导电子的低传递速率₂（参见图1中的箭头4），约为10²〜10^0.S.^-1远低于电子和孔的重组率。

另一方面，TiO₂电极通常由具有多孔结构的纳米晶粒组成，其提供相当大的表面积。yabo214如图2所示，TIO的表面积₂电极决定染料的吸附量，染料又会直接影响入射光的吸收。

图鲁德2。图示了TiO图₂具有吸附染料的电极。

在目前的研究中，TIO₂在电极中使用纳米管（TNT）。与纳米晶体颗粒相比，TNT可以提供较大的表面积，并且可以通过扩散长度的增yabo214加来提高电荷传递速率。现在描述和讨论纳米电极的制备方法，热处理效果和光伏性能。

实验

所有化学品均为分析等级，无需进一步纯化即可使用。商业锐钛矿二氧化钛粉末（3.75g，直径：〜100nm）分散在NaOH（10m，30mL）的水溶液中，并进入Teflon衬里的高压釜[3]。将高压釜在130℃下加热20小时。水热处理后，重复沉淀物离心D并用蒸馏水洗涤，直至pH值接近7〜8。随后，过滤上述溶液并在80℃下将空气干燥以获得制备的样品。最后，在450°，550°和650℃下退火的原样样品1小时。

通过将上述70％纳米晶TiO混合，通过将上述30％的样品混合来获得含水糊剂。₂（P25，Degussa AG，德国）粉末。TIO.₂通过从TCG（ITO）上的糊状物中沉积膜（厚度：〜5μm）而获得电极，并在450℃下热处理1小时。使用上述电极和其他传统材料组装DSC [4]。亚博网站下载将电极浸入3×10中的8小时^-4M溶解剂染料的溶液，RUL₂（SCN）_3.（SolarOnix，L = 4，4'-二羧酸-2,2'- Bi吡啶）在纯乙醇中。PT溅射ITO玻璃用作对电极。在光化学细胞配置中，rul₂（SCN）_3./ TiO.₂ITO玻璃上的薄膜采用夹层型电池，其掺入PT溅射ITO玻璃和由0.04MLi，0.02M碘的非水电解质，在乙腈中组成。使用叔丁基吡啶（TBP）或不使用电解质。电池，活性面积为0.123厘米²，用500 W Xenon灯在30 MW照射下测试。使用源仪（Keithley-4200，Keithley Co. Ltd.，USA）测量DSC的光伏性能。

通过X射线衍射分析（XRD，Rigaku，D / MAX-RB，日本）进行样品的相位鉴定。通过透射电子显微镜（TEM，JEOL JEM-200CX，200 kV，日本）观察样品的形态。通过选定区域电子衍射（SAED），TEM附件评估产物的晶体特性。氮吸附 - 解吸测量在77 k下使用Micromeritics ASAP 2010进行，以确定Brunauer-Emmett-Teller（BET）表面积。

结果和讨论

SAMP的XRD结果在不同温度下退火的LES如图3所示。如制备的样品主要由单斜替尼₂TI._3.O._7.。在450℃下，样品主要由Anatase TiO组成₂，痕量单斜视h₂TI._3.O._7.和三际TI._5.O._9.。当温度升高时，更多的锐钛矿和三级Ti_5.O._9.在越来越多的情况下获得。随着热处理温度的增加至650ºC，结晶的三级TI良好_5.O._9.和anatase tio.₂没有其他阶段形成。

图鲁德3.：在450℃（b），550℃（c）和650℃（d）下，用制备的样品（a）和样品进行热处理的样品的XRD图案。（M：H₂TI._3.O._7.;A：Anatase TiO₂;T：TI._5.O._9.）。

图4显示了由制备的样品的TEM图像，并在450°，550°和650℃下进行热处理的样品1小时。从图4（a）及其右下角（Hrtem图像），可以清楚地看到所有的原始tio₂颗yabo214粒在本实验条件下改变为纳米管，并且所有纳米管都以多壁开口端。它们的内径和外径分别为3-5nm和8-12nm。从图3中，我们知道这些原制的纳米管不是TiO₂但是H.₂TI._3.O._7.（钛酸）。在450℃下热处理1小时后，钛酸盐变为TiO₂并且纳米管的外径明显增加（图4（b））至约20nm。当温度升至550°C时，在样品中几乎没有发现管状晶体，并且形成大量的杆状和颗粒状晶体，并且这些杆状和粒状晶体的尺寸随着增加的增加而增加气温。

FIG.鲁德4.。在450℃（b），550℃（c）和650℃（d）下在450℃（b），550℃（c）和650℃（d）下进行热处理的样品（a）的TEM图像。

制备样品的BET表面积高达375.6米²·G^-1。当样品进行热处理时，其BET表面积降低。温度越高，样品的BET表面积越小。BET表面积为182.5米²·G^-1在450℃下热处理后，这是退火样品中的最高的BET表面积。表面积降至71.2米²·G^-1在650℃热处理后。

如图3所示，如制备的样品是钛酸钛（H.₂TI._3.O._7.但不是tio₂和tio₂可以通过在超过450℃下热处理制备的样品来获得。此外，在450℃下热处理的样品具有最大的表面积。因此，通过使用30％的样品获得DSC的电极，并在450℃下热处理1小时。这意味着我们使用的电极含有30％的TNT，具有高表面积。

图5显示了DSC的典型电流 - 电压曲线，带有TNT电极，没有TBP修改。可以发现，在TBP改性后，光电电压从0.49V增加到0.63V，这可以从EQS解释。（1）：

（1）

在哪里V._OC.，q，（E._Fe.R.MI.）_TiO2和E._{R / R.}^-是开路电压，电荷在氧化还原循环中传递，拟FERMI能量水平的TIO₂和雷诺夫妇的内部潜力（R / R^-）， 分别。TBP和TNT作出反应，形成一个新的复合物，其增加（E._Fe.R.MI.）_TiO2然后V._OC.也增加了。

图鲁德5.。DSC的电流电压曲线与TNTS电极，带有和没有TBP的TNT电极改性（30 MW辐照）。

还发现光电流密度从5.8 mA·cm降低^-2到4.5 ma·cm^-2在TBP修饰后，可以归因于该TBP分子的导电性较低。

具有30％TNT的DSC的光对能转化效率随着TBP改性的高达5.42％高达5.42％。实际上，当100％p25（不带Tnts）用作具有Tbp改性的电极时，光电流密度，光电电压和转化效率为5.5 mA·cm^-2，0.66 v和7.68％。具有30％TNT的DSC的转化效率低于没有TNT的，其归因于TNT的内表面可能不完全用于吸附染料。因此，进一步调查将专注于TiO上染料的吸附过程₂。

结论

本文已经证明了TNT的制备方法和热处理效果。具有相对高表面积的TNT通过在130℃下的水热法合成，然后通过450℃的热处理合成。TNT的表面积和外径（在450℃下热处理的样品）为182.5米²·G^-1分别为20纳米。TNT与MultiWall开放式结束。具有30％TNT的DSC的光对能转换效率为5.42％。

承认

作者谨此感谢SRF为ROCS，SEM和清华基础研究基金会的支持（JCPY2005055）的投资支持的支持。

参考

1. B. O'Regan和M.Grätzel，“基于染料敏化胶体TiO的低成本，高效的太阳能电池₂电影“，大自然，353（24）（1991）737-739。
2. M.Grätzel，“通过纳米晶染料敏化太阳能电池转换阳光至电力”，J. of Photochem。和photobiol。答：Chem。，164（2004）3-14。
3. T. Kasuga，M.Hiramatsu，A.Hoson，T.Sekino，和K.Niihara，“氧化钛纳米管”，Langmuir，14（1998）3160-3163。
4. C.J.Barbé，F.Arendse，P.Comte，M.Jirousek，F.Lengmann，V.Shklover和M.Grätzel，“光伏应用的纳米晶钛氧化物电极”，J.IM。陶瓷。SOC。，80（12）（1997）3157-3171。

联系方式

洪L.在，宁Wang，鲁雄z挂，chunfu l在和贾nbao l.IG.ydF4y2Ba

清华大学
新型陶瓷和精细加工的国家重点实验室
材料科学与工程系亚博老虎机网登录
北京100084
中国

本文还发表于“材料和材料加工期刊技术的进步，9 [1]（2007）5-8”。亚博网站下载