染料敏化的TiO2纳米管薄膜的光电浸润性

新能源课程染料敏化太阳能电池（DSSC）装置的制作教学实验报告电气01 王平090410204/22 Monday《染料敏化太阳能电池（DSSC）装置的制作》教学实验一、研究背景：随着工业发展和技术进步，人类对能源的需求与日俱增。

因此开发新的绿色能源，减少对环境的冲击影响，是迫切需要研究的课题。

绿色能源种类很多，本实验将针对染料敏化太阳能电池（DSSC）进行实验制作，以了解其设计原理及机制。

二、实验目的：了解染料敏化太阳能电池（DSSC）发电原理，掌握DSSC基本制作方法和的电池性能测定；理解决定DSSC性能的材料方面的影响因素，实验比较不同燃料、不同光线对电池性能的效果。

三、实验技能：学习研磨制样、材料的选择、万用电表的使用、涂布coating及组装、测试太阳能电池。

四、工作原理：本实验所制备的染料敏化太阳能电池（DSSC），是一个电化学反应过程装置。

由正极、负极、电解质液组成。

其中正极为涂布有石墨的导电玻璃；负极为涂布有二氧化钛的导电玻璃；二氧化钛为多孔纳米结构，吸附有染料或光敏剂；电解液为含碘化合物，能够产生I2/I-,被填充在正、负极之间。

DSSC太阳能电池是由一系列电子传递过程完成光能-电能转换的。

当光线照在负极侧，染料吸收光能发生电子跃迁，染料被氧化，电子经二氧化钛半导体传导，流动到负极的导电玻璃片进入外电路；电子到达正极后，电解液中的I2/I-氧化还原作用使得染料被还原到原始状态。

这样构成电子回路，产生电。

五、实验准备：1.材料：A．导电玻璃：具有高透过率、导电率，如ITO、FTOB．正极：导电能力强、有一定催化活性，如炭、铂C．二氧化钛：具有催化能力，高活性、比表面积大、分散均匀D．染料：具有吸光产生电子跃迁的有机材料。

天然光敏剂：价格便宜，性能不优化。

如自然界中的叶绿素、叶红素，水果榨汁等合成染料：价格贵，性能优化。

如N3、N749等图相对太阳光强度（灰线）与叶绿素（黑线）的吸收光谱E．电解液：注：高效率的DSSC需要：a.高比表面积TiO2电极；b.具有适当电位、低禁带的染料；c.高催化能力的正极；d.快速氧化还原能力的电解质；e.宽工作电压的溶剂2.仪器设备：电子天平、玛瑙研钵、药匙、微量吸管、透明导电玻璃、滤纸、镊子、万用电表、胶带、剪刀、直尺、塑胶滴管、玻璃棒、瓷坩埚、高温电炉、坩埚钳、隔热板、玻璃培养皿、2b铅笔、燕尾夹、标准光源箱、白炽灯、乳胶手套、纸巾。

材料学《第二课堂》课程论文题目：TiO2半导体纳米材料姓名：学号：目录1. 课程设计的目的 (1)2. 课程设计题目描述和要求 (1)3. 课程设计报告内容 (1)3.1 TiO2半导体纳米材料的特性 (1)3.2 TiO2半导体纳米材料的制备方法 (3)3.3 TiO2半导体纳米材料的表征手段 (3)3.4 TiO2半导体纳米材料的发展现状与趋势 (4)4. 结论 (5)1.课程设计的目的本课程论文的主要目的是论述TiO2半导体纳米材料，通过简要概述TiO2半导体纳米材料的特性、制备方法、表征手段及发展现状与趋势等相关方面的内容。

通过这次课设，了解TiO2半导体纳米材料，巩固课堂上所学的有关纳米材料的有关知识，提高自己应用所学知识和技能解决实际问题的能力。

2．课程设计的题目描述及要求课程设计的题目：TiO2半导体纳米材料TiO2半导体纳米材料由于它具有不同于体材料的光学非线性和发光性质,在未来光开关、光存储、光快速转换和超高速处理等方面具有巨大的应用前景。

本文就TiO2半导体纳米材料的主要制备方法与表征手段做一全面总结。

3.课程设计报告内容3．1 TiO2半导体纳米材料的特性1、光学特性TiO2半导体纳米粒子(1～ 100 nm ) [2]由于存在着显著的量子尺寸效应, 因此它们的光物理和光化学性质迅速成为目前最活跃的研究领域之一, 其中TiO2半导体纳米粒子所具有的超快速的光学非线性响应及(室温) 光致发光等特性倍受世人瞩目。

通常当半导体粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时, 随着粒子尺寸的减小, 半导体粒子的有效带隙增加, 其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移, 从而在能带中形成一系列分立的能级[1]。

2、光电催化特性1）TiO2半导体纳米粒子优异的光电催化活性近年来, 对纳米TiO2半导体粒子研究表明: 纳米粒子的光催化活性均明显优于相应的体相材料。

我们认为这主要由以下原因所致:①TiO2半导体纳米粒子所具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立的能级, 能隙变宽, 导带电位变得更负, 而价带电位变得更正。

染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池(Dye - sensitized solar Cells, DSSC电池)主要由宽带隙的多孔n型半导体(如TiO2 , ZnO等) 、敏化层(有机染料敏化剂)及电解质或p型半导体组成。

由于采用了成本更低的多孔的n - 型TiO2 或ZnO半导体薄膜及有机染料分子, 不仅大大提高了对光的吸收效率, 还大规模地降低了电池的制造成本, 所以具有很好的开发应用前景。

按照吸附层和电解质的不同,DSSC电池又包括两种类型: 含有液体电解质的染料敏化光电化学电池(Dye --Sensitized Photoelectro2chemical Cells, DSPEC) ; 固体有机电解质的染料敏化异质结太阳能电池(Dye - Sensitized Heterojunc2tion Solar Cells, DSH电池)。

Gratzel 等人于1993年在Nature上报道了用联吡啶钌染料RuL2 ( SCN) 2 (L = 2, 2’ - bipyridyl -4, 4 - dicarboxylate, 即2, 2’ - 联吡啶- 4, 4’- 二羧酸)作敏化剂的DSPEC太阳能电池, 能量转化效率达到10 以上。

该染料具有很高的稳定性,经过5 ×107 次循环(相当于在自然光下20年)都不会有光伏损失, 使这种技术商业化应用成为可能。

由于采用了廉价的TiO2 材料和有机敏化剂, 这种电池转化效率高, 制造工艺更加简单, 成为近年来的研究热点。

染料敏化太阳能电池的结构和工作原理DSC电池的结构如图1所示, 主要包括3部分: 吸附了染料的多孔光阳极、电解质和对电极。

染料吸收光子后发生电子跃迁, 光生电子快速注入到半导体的导带并经过集流体进入外电路而流向对电极。

失去电子的染料分子成为正离子, 被还原态的电解质还原再生。

还原态的电解质本身被氧化, 扩散到对电极, 与外电路流入的电子复合, 这样就完成了一个循环。

纳米技术在能源领域的应用探讨能源，作为现代社会发展的基石，其重要性不言而喻。

而随着科技的不断进步，纳米技术正逐渐成为能源领域的一颗璀璨新星，为解决能源问题带来了新的希望和机遇。

纳米技术，简单来说，就是在纳米尺度（1 100 纳米）上研究和应用物质的特性和相互作用。

这个尺度下，物质会展现出与宏观状态截然不同的物理、化学和生物学特性。

当纳米技术应用于能源领域时，它为能源的生产、存储、转化和利用等各个环节都带来了创新性的改变。

在能源生产方面，纳米技术在太阳能领域的应用表现出色。

传统的太阳能电池通常基于硅材料，其效率和成本一直是限制大规模应用的因素。

而纳米技术的引入，为太阳能电池的发展开辟了新的道路。

例如，纳米晶体太阳能电池，通过使用纳米尺寸的半导体晶体，能够更好地吸收太阳光，提高光电转换效率。

另外，染料敏化太阳能电池（DSSC）也是纳米技术的杰作。

在这种电池中，纳米多孔的二氧化钛薄膜被用作电极，其巨大的比表面积可以吸附更多的染料分子，从而增强对太阳光的捕获能力。

而且，纳米技术还能用于优化太阳能电池的制造工艺，降低成本，使得太阳能发电更加经济可行。

能源存储是能源领域的另一个关键环节，而纳米技术在这方面也发挥着重要作用。

以锂离子电池为例，纳米材料的应用显著提升了电池的性能。

纳米级的电极材料，如纳米硅、纳米碳等，具有更大的比表面积和更短的离子扩散路径，能够加快充放电速度，提高电池的容量和循环寿命。

同时，纳米技术还可以用于制造新型的超级电容器。

超级电容器具有极高的功率密度和快速充放电能力，而纳米结构的电极材料，如纳米碳管、石墨烯等，能够进一步提高超级电容器的性能，使其在电动汽车、智能电网等领域有着广阔的应用前景。

在能源转化方面，纳米技术为燃料电池的发展提供了有力支持。

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，具有高效、清洁的特点。

然而，燃料电池中的催化剂通常是贵金属，如铂，成本高昂且资源有限。

纳米技术的出现为解决这一问题带来了转机。

纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试一、前言1.1实验目的（1）了解纳米二氧化钛染料敏化太阳能电池的组成、工作原理及性能特点。

（2）掌握合成纳米二氧化钛溶胶、组装成电池的方法与原理。

（3）学会评价电池性能的方法。

1.2实验意义随着世界各国的工业发展，煤、石油等传统能源的使用量急剧增长，寻找干净的新能源成为当务之急。

太阳能是唯一种永不枯竭的清洁能源，受到众多研究者的青睐。

目前市场上的太阳能电池种类较多，其中硅半导体太阳能电池占了绝对的优势，另外还有无机半导体太阳能电池、p-n结型太阳能电池等。

1991年Gratzel等制备了TiO2太阳能电池，把多吡啶钌配合物吸附在多孔膜上，制作成染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池，简称DSSC。

该太阳能电池的光电转换效率大于10%，且具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。

只要有太阳光，DSSC就可以一次投资而长期使用。

1.3文献综述与总结1991年瑞士学者Grätzel等在Nature上发表文章,提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳米薄膜为光阳极的光伏电池，现称为Grätzel型电池。

这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新。

目前，此种电池的效率已稳定在10%左右，成本比硅太阳能电池大为降低，且性能稳定。

纳米TiO2的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大，纳米TiO2的粒径小，比表面积越大，吸附能力越强，吸附染料分子越多，光生电流也就越强，所以人们采用不同方法使之纳米化、多孔化、薄膜化。

只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。

[1]（1）半导体电极的制备目前，合成纳米TiO2的方法有溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等。

应用在DSSC中的TiO2多孔薄膜常用制备方法有胶体涂膜直接低温烧结法、水热法烧结、热液法烧结、微波烧结、紫外-化学气相沉积法等。

[1]溶胶凝胶法是用水解钛酸正丁酷(或无机钛盐，如TiCl4)制得TiO2胶体溶液，后经由浸渍、提拉、丝网印刷、旋涂等方法在导电基底上生长纳米高温锻烧制备出纳米TiO2电极，向溶胶中加入聚合物则有助于TiO2纳米晶粒径的大小的控制。

染料敏化太阳能电池的设计与制备染料敏化太阳能电池是一种利用染料敏化的半导体材料转化太阳能到电能的装置。

其优点在于其制备简便，成本低，可在多种表面上实现太阳电池的制备。

本文将从染料敏化太阳能电池的原理、设计、制备及应用等几个方面进行论述，以期对染料敏化太阳能电池有更深入的了解。

一、染料敏化太阳能电池的原理染料敏化太阳能电池的原理是，在太阳辐射下，染料分子激发后吸收光子能量，其电子达到激发态，从而迅速注入到相邻的半导体TiO2导电带上形成电荷对，并在半导体中进行电荷传递，最终到达电极。

“染料敏化太阳电池”的光电转换过程主要包括两个步骤：光吸收步骤和载流子分离步骤。

图1：染料敏化太阳能电池的示意图二、染料敏化太阳能电池的设计在染料敏化太阳能电池的设计中，主要分为染料的选择、电解质的选择、半导体的选择以及电极的选择等几个方面。

1. 染料的选择：染料是染料敏化太阳能电池中最为关键的组件。

选择染料时，需要考虑染料的吸收光谱、光敏剂量、稳定性等因素。

2. 电解质的选择：电解质是染料敏化太阳能电池中最重要的组成部分。

它的选择会影响染料的导电性和稳定性，从而影响染料的性能表现。

3. 半导体的选择：染料敏化太阳能电池的半导体是主要的光电转换器件。

选择半导体时，需要考虑半导体的能带结构、光电转换效率、稳定性及成本等因素。

4. 电极的选择：染料敏化太阳能电池电极是连接半导体和外部电路的组成部分。

以透明的锡氧化物(TO)和金属的铂(Pt)为电极为例，TO电极的主要作用是保证半导体吸收到光线，而Pt电极的主要作用是在电荷分离后收集电荷。

染料敏化太阳能电池的制备方法主要有槽状、卷状、网状、量子点等多种结构。

1. 槽状染料敏化太阳能电池是通过在导电玻璃基板上涂覆TiO2粉末，然后通过浸泡法，向TiO2表面吸附染料，最后在半导体表面涂覆Pt电极的制备方法。

2. 卷状染料敏化太阳能电池是通过在铝箔上涂覆TiO2粉末，然后通过浸泡法，向TiO2表面吸附染料，并在TiO2表面涂覆Pt 电极后，将铝箔卷成螺旋形电极的制备方法。

纳米材料在光电器件方面的应用随着科学技术的飞速发展，越来越多的新材料不断涌现，其中纳米材料是近年来备受关注的热门领域之一。

作为材料科学的重要分支，纳米材料与光电器件之间有着密不可分的关系。

本文将着重介绍纳米材料在光电器件方面的应用，并探讨其未来发展前景。

一、纳米材料的概念与特点纳米材料是一种尺寸在1~100纳米之间的材料，以其超小的尺寸和特殊的物理化学性质在各个领域表现出独特优势。

相比于传统材料，纳米材料具有以下特点：1.尺寸效应：纳米级粒子的尺寸与材料性质密切相关，具有相同化学组成的纳米材料比微米材料呈现出更加特异的物理化学性质；2.量子效应：纳米材料中电子、激子、自旋、原子核等物理特性受到量子限制限制的影响，表现出量子效应的性质；3.表面效应：纳米材料内部的表面积相对较大，与外部环境的相互作用更加显著，表现出的表面效应在化学反应、光学性能等方面具有重要影响；4.纳米级别的物理效应：纳米材料在电磁感应、液晶效应、等离子共振等方面均表现出不同寻常的物理效应。

二、纳米材料在光电器件中应用的范围和方法光电器件是基于光、电的物理或化学效应，实现光信号到电信号或电信号到光信号转换的器件，是光通信、光存储、光显示等领域的重要组成部分。

而纳米材料在光电器件中的应用主要集中在三大方面：1.光电转化器件光电转化器件包括太阳能电池、光电二极管等，是应用最为广泛的光电器件之一。

纳米材料在其中的应用可以提高光电转化效率，增加工作寿命，同时具有可调控性强、尺寸小等优势。

例如，纳米结构的TiO2与有机染料复合成的染料敏化太阳能电池具有高转化率和低成本的特点，可以应用于大规模的工业制造。

2.光敏器件光敏器件有光电二极管、光阻、光敏电容等多种形式，用于光控开关、光电子记录等领域。

纳米材料在其中应用可以增加敏感度、提高探测率、提高响应速度等。

例如，以TiO2为底层的纳米复合材料可以被应用于光敏电子器件的制造，其具有性能稳定、透明性强的特点。

太阳能是当前世界上储量最丰富但有效利用率最低的清洁可再生能源之一，其研究与开发对于缓解目前的石化资源短缺、改善生态环境具有重要意义。

染料敏化太阳能电池由于具有理论光电转换效率高、成本低、制备工艺简便等特点被认为是能够取代传统硅太阳能电池的新一代太阳电池。

自1991年Grätzel小组首次利用直径约为20nm的多孔TiO2纳米晶薄膜作为染料敏化太阳能电池的光阳极并获得7.1%的光电转换效率以来[]，基于半导体氧化物电极的染料敏化太阳能电池获得了广泛的关注并且效率得到不断提高，目前在实验室其最高的光电转换效率已达到12.3%【】。

传统的光阳极由大量纳米晶颗粒构成，由于颗粒间存在大量晶界，会极大地阻碍电子在光阳极中的传输，导致负荷增加，电池效率下降。

此外，光生电子在传输过程中容易与氧化态的染料分子或电解质中电子受体的复合(即所谓的“暗电流”)，极大地影响了染料敏化太阳能电池的性能。

Gratzel在2000年提出使用垂直于基底的高度有序的一维纳米阵列电极可能在电子收集与传输方面具有更大优势[M. Gratzel, Prog. Photovolt. Res. Appl. 2000, 8, 171]：一方面是由于纳米阵列电极材料增加了光子的散射，使得光子在电极材料中的传输路径增大，有利于增强光的吸收；另一方面，纳米阵列电极材料由于具有垂直于基底的有序结构，给电子提供了直接的传输通道，减少了界面复合的机会。

尽管如此，要使这一新型太阳能电池实现大规模产业化，进一步提高效率到与硅基太阳能电池相当仍然是目前的关键。

在以Grimes和Schmuki为代表研究小组的努力下，氧化钛纳米管阵列可以通过简单易操作的阳极氧化金属 Ti 片获得[Gong D，Grimes C A，Varghese O K，et al. J. Mater. Res. ，2001，16: 3331 3334，Prakasam H E，Shankar K，Paulose M，et al. J. Phys. Chem.C，2007，111: 7235 7241Macak M，Tsuchiya H，Taveira L，et al. Angew. Chem. Int.Ed. ，2005，44: 7463 7465]，而且其管长、壁厚、孔径大小以及管间距也可以通过调节制备条件控制，但是其大规/Ti 模的应用依然存在一定的技术难点：其一是将Ti箔片阳极氧化后得到的 TiO2直接作为染料敏化太阳能电池光阳极使用，但由于金属 Ti 不透光，光只能从对-还原反应催化活性高、稳定电极面射入电池，对电极一般采用对电解液中I-/I3性好的Pt材料，但是传统的通过溅射方法获得的Pt对电极透光性不够好，会吸收部分入射光，造成效率的损失，而且该方法获得的Pt对电极，对贵金属材料的消耗量大、价格高，不利于产业化生产，目前采用该方法获得最高效率是Grimes小组在220μm管长的有序阵列中得到的 6.89% [HANKAR K, MOR G K,nanotube arrays up to 220 mu m PRAKASAM H E, et al. Highly-ordered TiO2in length: use in water photoe- lectrolysis and dye-sensitized solar cells [J]. Nanotechnology, 2007, 18(6): 0657078]；为了避免背入射模式导致的光损失，最近广泛采用的方法是将纳米管阵列从Ti基底剥离并转移至透明导电玻纳米管光阳极。

能电池为主流，包括硅薄膜型(非晶硅、单晶硅、多晶硅薄膜)，化合物半导体薄膜型(GaAs、InP、CdS、CdTe、CuInGaSn(即CIGS))，有机薄膜型等。

最新的权威统计数据表明，单晶硅太阳能电池的光电转化效率已达到24.7％,多晶硅为19.8％,非晶硅为10.1％,CdTe为16.5％,CIGS为18.4％。

目前光伏发电市场正是被上述发展较为成熟的太阳能电池所占据。

除了上述已经商业化的太阳能电池以外，科学家们仍在致力于研究新的太阳能电池材料和结构。

其中一类染料敏化太阳能电池(Dye—SensitizedSolarCells，简称DSSC)近年来发展迅速。

其研究历史可以追溯到20世纪60年代，德国料敏化的光电转换效率比较低(<1％)。

1991年,瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授和他的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶染料敏化太阳能电池，一举突破了光电转化效率7％。

1993年Gratzel等人再次报道了光电转化效率达10％的染料敏化纳米太阳能电池。

最新的数据表明该太阳能电池目前最高的光电转化效率达到10.96％，开路电压Voc为0.975V，短路电流Jsc为19.4mA／cm2，填充因子达到71％。

2.1 结构与原理以较为传统的硅太阳能电池为例，它的结构与工作原理是：太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。

一般半导体的分子结构是这样的：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。