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TiO2纳米棒和CdSe纳米棒复合膜与聚3-甲基噻吩杂化太阳能电池研究

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2010年第68卷 化 学 学 报 Vol. 68, 2010

第1期, 33～40 ACTA CHIMICA SINICA No. 1, 33～40

* E-mail: yzhao@hebust.edu.cn Received March 9, 2009; revised June 19, 2009; accepted September 1, 2009. 国家自然科学基金(Nos. 20573031, 20203008)、河北省教育厅指导性(No. Z2005203)资助项目. ·研究论文·

TiO2纳米棒和CdSe纳米棒复合膜与聚3-甲基噻吩杂化太阳能电池研究

郝彦忠*,a,b 马洁霞b 孙 宝a 李英品a 任聚杰a

(a河北科技大学理学院 石家庄 050018)

(b河北科技大学化学与制药工程学院 石家庄 050018)

摘要 采用水热法制备了TiO2和CdSe两种纳米棒材料, 将两种纳米材料制备成TiO2/CdSe复合纳米棒膜电极, 并在复

合膜上电化学聚合生成聚3-甲基噻吩poly(3-methylthiophene) (PMeT), 研究了其光电化学性能. 实验表明, 当TiO2与

CdSe的物质的量复合比为2∶1, PMeT的聚合时间为40 s, 在电极电势为－0.2 V下ITO/TiO2/CdSe/PMeT电极光电转

换效率(IPCE)达到56%, 对比ITO/TiO2/CdSe复合膜电极在长波方向的光电转换效率明显提高, 光吸收截止波长发生了

明显的红移. 同时以ITO/TiO2/CdSe/PMeT组装了简易的杂化太阳电池, 初步研究了光电池性能, 光电池总效率为

0.08%, Voc＝0.4 V, jsc＝0.61 mA/cm2, ff＝0.33.

关键词 TiO2纳米棒; CdSe纳米棒; 聚3-甲基噻吩; 杂化太阳电池

Poly(3-methylthiophene) Hybrid Solar Cell with TiO2 Nanorod and

CdSe Nanorod Composite Film

Hao, Yanzhong*,a,b Ma, Jiexiab Sun, Baoa Li, Yingpina Ren, Jujiea

(a College of Science, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018) (b College of Chemical and Pharmaceutical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018)

Abstract TiO2 and CdSe nanorods were prepared by a hydrothermal method. The photoelectrochemical

properties of TiO2/CdSe composite film and TiO2/CdSe/PMeT film were investigated. The experiment re-

sults showed that the incident photon to current conversion efficiency (IPCE) of TiO2/CdSe/PMeT was ob-

viously increased in comparison to that of TiO2/CdSe composite film. The experiment results showed that

the p-n heterojunction existed in the TiO2/CdSe/PMeT nanostructure film, which favored the separation of

electron-hole pairs generated by photoexcitation. The IPCE value of TiO2/CdSe/PMeT film was 56% at

－0.2 V, and the incident light wavelength of 370 nm. The hybrid solar cell was fabricated with TiO2/CdSe

nanostructure composite film and poly(3-methylthiophene) (PMeT). The conversion efficiency of the hybrid

solar cell was 0.08%, short current 0.61 mA/cm2, open voltage 0.4 V, fill factor 0.33, under irradiation of

100 mW/cm2 white light from a Xe lamp.

Keywords TiO2 nanorod; CdSe nanorod; poly(3-methylthiophene); hybrid solar cell

开发洁净新能源已成为全球关注的问题, 太阳能是

极具潜力的洁净新能源, 近几年来纳米半导体光电化学

太阳电池成为本领域的研究热点[1～4]. 在纳米半导体材

料中TiO2与CdSe备受关注[5～8], 纳米TiO2具有很强的光活性, 但由于其禁带宽度大, 只有能量大于3.2 eV的

紫外线才能激发光响应; CdSe是窄禁带半导体, 可获得

较高的光电转化效率, 但在液结光电池中存在光腐蚀现

象. 研究表明, 半导体复合材料[9～12]有助于提高纳米材 34 化 学 学 报 Vol. 68, 2010

料的光吸收性、阻止电荷的复合, 是提高光电转换和光

催化性能的有效途径之一. 目前对TiO2纳米棒和CdSe

纳米棒两种一维纳米材料的复合研究还不多见, 本文制

备了TiO2/CdSe一维纳米棒复合材料, 研究了复合膜电

极的光电化学性能及光电转换机理. 导电聚合物[13～15]

应用于太阳电池中的研究一直受到关注, 其中聚噻吩

类[16～18]导电聚合物具有禁带宽度窄, 环境及热稳定性

好, 导电率高、成膜好等优点, 是用作光伏电池的理想

材料. 无机半导体纳米材料与导电聚合物形成的杂化太

阳电池研究成为国际研究热点[19～21]. 本文采用电化学

方法在一维TiO2和CdSe纳米棒复合膜上电聚合生成聚

3-甲基噻吩[22～25], 研究了电极的光电性能. 同时组装了

简易的杂化太阳电池, 初步探索了光电池性能.

1 实验部分

1.1 纳米材料的制备

TiO2纳米棒的制备参考文献[26]: 将1 g TiO2纳米

粒子与一定体积的10 mol/L NaOH溶液混合, 倒入高压

反应釜中, 180 ℃水热反应24 h, 冷却至室温. 干燥产物

抽滤分离, 并用二次去水离子水冲洗至滤液成中性, 70

℃干燥10 h. 之后将水洗产物与一定体积的0.1 mol/L

HNO3溶液混合, 磁力搅拌6 h, 用二次去离子水冲洗产

物至滤液pH至7, 70 ℃下干燥10 h. 酸化产物与一定

pH值的HNO3溶液混合, 200 ℃水热反应24 h, 抽滤得

到最终产物, 70 ℃干燥10 h, 得TiO2纳米棒.

参考文献[27]制备CdSe纳米棒: 称取Cd(NO3)2•

4H2O粉体3.08 g, Na2SeO3的粉体0.86 g, EDTA粉体

3.72 g, 8 mL(质量分数为80%)水合肼和1 mol/L NaOH

水溶液50 mL, 加入到带有聚四氟乙烯内衬的高压釜中

将其搅拌均匀, 将高压釜密封后置于烘箱中, 缓慢升温

至240 ℃保温12 h, 反应完成后使高压釜在空气中自然

冷却至室温. 将反应物用旋转离心分离机分离、再用二

次去离子水和无水乙醇共同洗涤数次、抽滤, 最终产物

在80 ℃条件下干燥2 h以上.

本实验所用试剂均为分析纯, 未经进一步纯化. 所

有溶液均用二次去离子水配制.

1.2 纳米膜电极的制备

首先将TiO2纳米棒和CdSe纳米棒按不同物质的量

配比直接混合得到纳米复合材料, 超声分散于无水乙醇

中, 配制成浓度为1 g/L的乙醇胶体. 将铟锡氧化物导

电玻璃(ITO) (4 cm×2.6 cm)在超声清洗器中依次用丙

酮、二次去离子水、无水乙醇清洗, 吹干后, 用滚动涂

膜法在导电面上涂上TiO2/CdSe复合纳米棒粒子, 在

400 ℃马福炉内煅烧30 min. 将导电玻璃分割成面积为0.5 cm2的均匀小块, 用银导电胶在未涂膜的导电玻璃

基底上引出一根铜导线, 并用HY-914粘合剂将导线裸

露部分及导电玻璃的边缘密封, 制备成纳米结构

ITO/TiO2/CdSe复合膜电极. 以下简称ITO/TiO2/CdSe电

极.

ITO/TiO2/CdSe复合膜电极的制备同上. 以

ITO/TiO2/CdSe电极为工作电极, 在0.01 mol/L 氟硼酸

四丁基铵和0.1 mol/L 3-甲基噻吩单体的乙腈溶液中,

以饱和甘汞电极为参比电极, 以Pt电极为对电极, 在2

mA/cm2恒电流下电化学聚合不同时间, 即制成ITO/

TiO2/CdSe/PMeT电极.

1.3 杂化太阳电池的制备

首先在制备的聚3-甲基噻吩与TiO2/CdSe复合膜的

导电聚合物表面上真空镀金膜, 将真空镀金后的复合膜

与镀铂ITO组装成简易纳米结构太阳电池, 结构示意图

如图1.

图1 PMeT与TiO2/CdSe复合膜纳米结构杂化太阳电池结构

示意图 Figure 1 Schematic of TiO2/CdSe/PMeT nanostructure hybrid

solar cell

1.4 表征

采用德国Bruker公司D8-advance X-ray衍射仪检测

样品的晶型, 辐射源为Cu靶, λ＝0.15418 nm; 采用日本

日立公司S-4800型发射场扫描电镜(SEM)观察产物纳

米粒子及其在导电基底上的尺寸和形貌, 确定产物的粒

径大小及分布.

1.5 光电化学测试

光电化学实验采用带石英窗口的三室电解池, 工作

电极分别为ITO/TiO2, ITO/CdSe, ITO/TiO2/CdSe,

ITO/TiO2/CdSe/PMeT膜电极, 参比电极为饱和甘汞电

极, 对电极为Pt电极, 0.1 mol/L KSCN无水乙醇溶液为

支持电解液. 用美国PerkinElmer公司的Potentiostat/

Galvanostat Model 263A型恒电位仪进行电位控制, 并

经计算机采样处理. 以500 W氙灯为光源, 通过单色仪

(WDG30)照射在工作电极上. 光强用LPE-1A型激光功

率/能量计标定. 采用SBC-12小型离子溅射仪和上海辰

华仪器公司CHI660A电化学工作站进行太阳电池的制

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CdTe——精选推荐

CdTe——精选推荐

文章编号：1000-582X（2002）08-0055-03

一种用于制冷的新型太阳能电池———CdS／CdTe!

刘高斌，冯庆，刘亚静，王万录

（重庆大学应用科学与技术系，重庆400044）

摘要：CdS／CdTe多晶薄膜电池是一种利用CdS的优良窗口效应和CdTe良好的光电转换而做成

的一种层叠的异质结薄膜太阳电池，是适用于制冷、新型、高效率、低成本的太阳能电池，具有低缺陷、能

隙大、稳定性好的特点，并且制作工艺简单、经济，易于大面积沉积，而且还具有环保价值。综述了CdS／

CdTe多晶薄膜太阳能电池的特性及它的发展，同时还归纳了一些适应大面积和低成本的生产工艺。

关键词：CdS／CdTe太阳能电池；多晶薄膜；转换效率

中图分类号：TK519文献标识码：A

夏季，炎热的天气，正是人们使用空调、冰箱等制

冷设备的高峰，而此时太阳能最充足、最丰富，这时利

用太阳能作为制冷与空调的能源有巨大的优越性。太

阳能在制冷与空调方面的应用，主要是建筑、空调、大

型冷库、医院冷藏、家庭冰箱等方面。虽然太阳能制冷

的技术难度较大、造价较高（因为现在太阳能电池多使

用单晶硅，按现行市场价格1kW的光伏空调成本将

上万元），但光伏空调与冰箱由于适应范围广，只要降

低成本就会具有广阔的应用前景。目前，人们正致力

于此方面的研究开发。最近开发出了一种非常适用于

制冷的、新型、高效、低成本薄膜太阳能电池———CdS／

CdTe。作者对CdS／CdTe太阳电池的特性、发展及生

产工艺做了详细叙述。

1CdS／CdTe薄膜太阳电池的特性

CdS是一种宽带隙半导体材料，室温下它的禁带

宽度是2.42eV。因此CdS薄膜在异质结太阳电池中

是一种重要的N型窗口材料［1］，具有较好的导电性能

和光的通透性。CdS薄膜可以用真空蒸镀、溅射、高温

热解喷涂、化学沉积等方法来制备。

!-"族化合物CdTe是一种理想的光电转换与

太阳电池材料，在室温下其禁带宽度是1.47eV［2］，与

太阳光谱匹配良好，易于形成N型和P型半导体薄

大小颗粒Ti02复合制备纳晶薄膜电极及其性能研究

大小颗粒Ti02复合制备纳晶薄膜电极及其性能研究

链蔓￡Ｓ我Ａ醚Ｃｔｉ＆１）　Ｖ　ｌ　《　ｉＥ　

大小颗粒ＴｉＯ２复合制备纳晶薄膜电极及其　

性能研究　

郑文耀，侯丽新，刘贤豪　

（中蚓乐凯胶片集团公司，保定０７１０５４）　

摘　要：选用大小粒径分别为２００ｎｍ和２１ｎｍ的ＴｉＯｚ颗粒，采用刮涂法制备了几种不同条件的Ｔｉ（）２薄膜　电极，研究了大小颗粒Ｔｉ（）２的复合方式和质量比对其所组装染料敏化太阳能电池光电性能的影响。应用红外吸　收光谱仪和扫描电子显微镜对Ｔｉ（）２薄膜电极进行了表征，在ｌＯＯｍＷ／ｃｍ２（ＡＭ　１．５Ｇ）光照下，测试了电池的　光电性能。结果表明：将大颗粒ＴＩ（）　作为光散射层，且大颗粒Ｔｉ（）２和小颗粒Ｔｉ（）ｚ质量比为１：３时，所制薄　膜不但可以保持纳米粉体高比表面积的优点，同时可以提高对太阳光的散射率，用其组装的电池光电性能最好，　转换效率达到２．４６　。　关键词：大颗粒ＴｉＯｅ；混合；光散射层；Ｔｉ（）２薄膜电极；染料敏化太阳能电池；光电性能　中图分类号：ＴＱ５８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—５６２４一（２０１１）０４—００１４—０６　

１前言　

太阳能以其无污染、无运输、无垄断、维护　

简单、运行安全和永不枯竭等特点，被认为是解　

决能源枯竭与环境污染两大问题的一个最佳选择，　

因而各国都在积极开发这种绿色的可再生能源。　

染料敏化太阳电池（Ｄｙｅ—Ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ，　

简称ＤＳＳＣ）是新型薄膜太阳电池中最具有代表性　

的一类电池。自１９９１年瑞士洛桑高等工业学院Ｍ　

Ｇｒ・ｔｚｅｌ教授等报道了纳米ＴｉＯ。多孔薄膜太阳电　

池光电转换效率取得７．】　的突破性进展以来　ｊ，　

这种基于光电化学过程的新型低成本、环保型太阳　

电池立即赢得了国际上的广泛关注，成为光伏电池　

领域研究的热点　引。其廉价的生产成本、易于产业　

收稿日期：２０１ｌ—Ｏｌ一２６　作者简介：郑文耀（１９６７～），男，理学硕：ｆ：，山西忻州人，现在中国乐　凯胶片集团公司研究院从事研发管理。　化的工艺技术、较短的能量回收期以及广阔的应用　

染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇)

染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇)

word文档 可自由复制编辑 染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇)

染料敏化太阳能电池实验

天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试 姓名：蓝永琛 班级：新能源材料与器件学号：20112500041

一、 实验目的

1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。

2. 掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

以及电池的组装方法。

3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。

二、 实验原理

略

三、 仪器与试剂

一、仪器设备

可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。

二、试剂材料

钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水

word文档 可自由复制编辑 四、 实验步骤

一、TiO2溶胶制备

目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化

学沉积法等。本实验采用溶胶-凝胶法。

（1）在500mL的三口烧瓶中加入1：100（体积比）的硝酸溶液约100mL，将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。

（2）在无水环境中，将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（约1滴/秒）上述三口烧瓶中的硝酸溶液中，并不断搅拌，直至获得透明的TiO2溶胶。

二、TiO2电极制备

取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥，分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次，直至形成均匀液膜。取出平置、自然晾干，再红外灯下烘干。最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min得到锐态矿型TiO2修饰电极。可用XRD粉

CdS修饰TiO2纳米管阵列的制备及光催化性能研究

CdS修饰TiO2纳米管阵列的制备及光催化性能研究

南京航空航天大学

硕士学位论文

CdS修饰TiO<,2>纳米管阵列的制备及光催化性能研究

姓名：薛峰

申请学位级别：硕士

专业：环境工程

指导教师：薛建军

20090301南京航空航天大学硕士学位论文

I 摘 要

本文通过恒压阳极氧化在纯钛箔表面制备TiO2纳米管阵列，研究阳极氧化参数（阳极氧化

电压、时间）对纳米管阵列微观形貌的影响及热处理对TiO2纳米管阵列形貌和晶型的影响。

运用电化学沉积对TiO2纳米管阵列进行CdS颗粒修饰。研究发现，电化学沉积之后在纳

米管阵列的表面获得均匀分布的纳米级CdS颗粒；随着沉积时间的延长，CdS的沉积量增加；

随着CdS沉积量的增加，TiO2纳米管阵列对可见光的吸收范围明显增大。

在紫外光的作用下，利用所制备的CdS修饰TiO2纳米管阵列对甲基橙溶液进行光催化降

解实验，研究阳极氧化时间、CdS沉积时间等因素对光催化性能的影响。结果表明，阳极氧化

时间为1h，CdS沉积时间为2000s时制备出的TiO2纳米管阵列光催化效果最佳。

研究甲基橙初始浓度、pH值、H2O2加入浓度以及电极重复使用次数对光催化性能的影响，

结果表明，在30 mg/L的甲基橙溶液（50ml）中，当H2O2加入浓度为50mg/L，紫外光照射2h，

溶液为中性时，甲基橙溶液的脱色率接近100%。当H2O2加入浓度增大到100 mg/L时，光催

化的效率进一步提高，紫外光照射1h，甲基橙溶液的脱色率就已趋于100%，并未发现抑制光

催化的现象。同时还研究TiO2纳米管阵列电极的稳定性，实验结果表明，随着TiO2纳米管阵

列使用次数的增加，其光催化效率略有下降。

对甲基橙的光催化降解机理和动力学进行研究，结果表明，甲基橙光催化氧化降解反应符

合一级动力学模型，且反应速率常数与初始浓度、溶液的pH值以及外加氧化剂等因素有关。

关键词：阳极氧化，CdS纳米颗粒，TiO2纳米管阵列，光催化，甲基橙 CdS修饰TiO2纳米管阵列的制备及光催化性能的研究