TiO2纳米管阵列太阳能电池薄膜材料及电池性能研究

寻找一种新型微结构的纳晶半导体以替代无规则的纳晶半导体是染料敏化太阳能领域研究的一个重要方向, 其中有序的TiO₂纳米管结构是最近研究的热点. TiO₂纳米管阵列作为一种新型的纳米TiO₂材料, 由于其独特的阵列结构和优异的光电、氢敏特性, 引起了人们的广泛关注. 利用TiO₂纳米管阵列薄膜组装的染料敏化太阳能电池体系在AM1.5条件下光电转化效率已达到5.44%. 本文就国内外关于TiO₂纳米管阵列太阳能电池材料的制备方法及TiO₂纳米管阵列太阳能电池存在的问题和最新研究进展进行了介绍.     

Zn掺杂TiO2纳米管电极制备及其对五氯酚的光电催化降解

采用阳极氧化法在Ti基底上制备TiO₂纳米管电极, 再通过浸渍法制备出Zn掺杂TiO₂纳米管电极. 采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、电子探针显微分析(EPMA)、紫外-可见漫反射吸收光谱(DRS)技术对其进行表征, 电极表面分布有均匀的纳米管状阵列, 管径50～90 nm, 管长约200 nm, 管壁厚约为15 nm, 锐钛矿型TiO₂, Zn元素以ZnO小团簇形态沉积在TiO₂纳米管电极表面, 与TiO₂纳米管电极相比起始吸收带边红移近20 nm. 分别使用Zn掺杂TiO₂纳米管电极和TiO₂纳米管电极对相同五氯酚(PCP)溶液(初始浓度为20 mg/L, 电解质Na₂SO₄浓度为0.01 mol/L, 初始pH为7.03)进行光电催化降解120 min. 结果表明: 在紫外光(400 μW/cm²)或可见光(4500 μW/cm²)的照射下, Zn掺杂TiO₂纳米管电极对PCP的降解率分别为73.5%和18.4%, 而TiO₂纳米管电极对PCP的降解率分别为48.5%和3.2%. Zn掺杂TiO₂纳米管电极光电催化降解PCP的准一级反应动力学常数分别为TiO₂纳米管电极的2.0倍和5.8倍, 且其光电催化性能与Zn掺杂浓度有关，最优掺杂浓度为0.909%. Zn掺杂TiO₂纳米管电极的稳定性良好.     

热液法低温制备纳晶TiO2多孔薄膜电极

用钛酸四丁酯前驱体与纳晶TiO₂颗粒组成的浆液通过简单便捷的热液法在低温下成功制备了纳晶TiO₂多孔薄膜电极. 钛酸四丁酯水解生成的锐钛矿型TiO₂将纳晶TiO₂颗粒之间以及颗粒与导电基底之间牢固连接起来, 形成高度多孔、机械性能稳定的纳晶多孔薄膜. 用导电玻璃及柔性导电基底上制备的这种纳晶多孔薄膜电极组成染料敏化太阳能电池, 在100 mW/cm²光照条件下, 光电转换效率分别达到4.8%和1.9%.     

复合薄膜CoFe2O4/TiO2的制备及磁性

以钛酸丁酯和金属盐酸盐为原料, 采用溶胶-凝胶工艺制备CoFe₂O₄/TiO₂复合薄膜. 探讨热处理温度和前驱液pH值对CoFe₂O₄/TiO₂复合薄膜结构及磁性的影响. 通过X射线衍射(XRD)分析了复合薄膜的相结构; 采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和偏光显微镜(PLM)观测了薄膜表面形貌; 用振动样品磁强计(VSM)测试了样品的磁性. 结果表明, 薄膜生长过程中两相组分的晶体各自析出长大, CoFe₂O₄均匀地嵌埋于TiO₂基体中; 薄膜中晶粒的生长对反应体系的pH值、热处理温度依赖性较大, 前驱液pH在2~3范围内, 经800℃热处理后得到纳米复合薄膜, 晶粒平均粒径为19 nm; 随着热处理温度的升高, 复合薄膜的磁性增强.     

聚硅氧烷凝胶网络电解质准固态TiO2纳晶太阳电池

用聚环氧乙烷(PEO)内增塑链及季铵盐侧链并存的新型聚硅氧烷凝胶网络聚合物电解质制备了准固态染料敏化TiO₂纳晶多孔薄膜太阳电池. 在入射光强为60 mW/cm²的条件下, 电池具有较好的光电转换性能, 短路光电流(I_sc)及开路光电压(V_oc)分别达到5.0 mA/cm²及0.68 V, 光电转换效率(h)和填充因子(ff)分别为3.4%及0.60.     

可见光诱导TiO2光催化的研究进展

TiO₂具有稳定性好、光效率高和不产生二次污染等特点, 被认为是最有应用前景的光催化剂. 通过金属及非金属掺杂改性的方法可以将只能UV光激发的TiO₂光催化反应红移到可见光区域进行, 也可以利用表面络合或染料敏化的途径实现可见光光催化反应. 本文介绍了国内外在可见光TiO₂光催化研究方面的最新进展.     

ZnO微米片修饰TiO2纳米晶复合薄膜的染料敏化太阳电池

通过阴极电沉积工艺, 成功地将随机辐射取向分布的ZnO微米片作为散射层自组装在TiO₂纳米晶(TN)薄膜表面上. 用分光光度计研究了400～800 nm光谱范围内ZnO微米片的光散射性能. 结果表明, 在ZnO微米片-TiO2纳米晶( ZT)复合薄膜中, ZnO微米片层对入射光具有非常出色的光散射能力. 同时用ZT复合薄膜制备的染料敏化电池相对于单独用TN薄膜制备的电池具有更高的短路电流密度和光电转换效率.     

丝网印刷纳晶多孔TiO2薄膜电极的制备

应用丝网印刷技术制备TiO₂多孔薄膜电极, 采用了不同的印刷胶体, 胶体中的主要成分TiO₂来自商品P25粉末, 各种胶体组成简单, 电极制备前后不需任何化学处理, 在TiO₂固含量及膜厚较低的情况下, 电池的光电转换效率可达5.81％~6.70％, 实验的重复性好, 所制薄膜的性质均匀、牢固.     

纳米TiO2的溶剂热制备及光催化降解气相苯

以钛酸正丁酯为前驱体、乙醇和水为主要溶剂, 采用溶剂热法合成了纳米TiO₂, 并形成一种溶剂热负载工艺. 利用热重分析(TG-DSC)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM和HRTEM)以及比表面积测定(BET)等手段表征了有/无溶剂热处理、有/无灼烧处理等4个纳米TiO₂样品. 结果表明, 经过溶剂热处理的TiO₂颗粒呈立方体状, 有良好的(101)晶面结晶度、较高的热稳定性和比表面积; SEM表征负载TiO₂薄膜结果显示, 溶剂热负载工艺制得的TiO₂薄膜具有均匀且牢固的特点. 以气相苯的光催化氧化为探针考察TiO₂薄膜的光催化活性发现，溶剂热后的灼烧处理会降低催化剂的比表面积, 进而导致催化剂活性的下降；溶剂热后未灼烧和灼烧的催化剂降解400 mg/m³苯的活性分别为未经溶剂热处理的4.1倍和3.7倍.     

TiO2改性β-PbO2电极光电协同降解偶氮染料酸性橙Ⅱ

电助光催化是一种有效的提高光催化效率的手段. 通过共沉积的方法制备了TiO₂改性β-PbO₂电极, 分别用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征了其表面形貌和晶体结构. 将其用于电助光催化降解酸性橙Ⅱ, 在外加电压(阴阳两极间)为1.5 V时, 考察了溶液初始pH值对降解50 mg/L酸性橙Ⅱ的影响; 在外加电压为2.5 V时, 研究了初始pH = 2.0和pH = 12.0时降解历程和降解产物的差异. 结果表明, 200 mL共沉积液中加入2.0 g TiO₂制备的改性β-PbO₂电极较未改性的β-PbO₂电极晶粒更加精细, 表面更加致密均匀. 电助光催化降解酸性橙Ⅱ时产生了明显的光电协同作用, 溶液初始pH = 2.0时对酸性橙Ⅱ的降解效率和TOC去除率最高. 通过对紫外可见光谱和最终降解产物的分析, 证明初始pH = 2.0时, 在2 h的反应时间内, 光电协同催化降解酸性橙Ⅱ经历产生主产物马来酸的反应步骤, 而初始pH = 12.0时酸性橙Ⅱ的降解较为缓慢.     

TiO2薄膜的优化及其对染料敏化太阳能电池性能的影响

介绍了染料敏化太阳能电池的制备过程, 深入探讨了二氧化钛薄膜厚度、四氯化钛处理电极及添加大粒子散射层对电池效率的影响. 研究结果表明, 在一定范围内增加TiO₂电极的厚度可以显著提高电池效率, 但当电极过厚时, 薄膜中的缺陷态增加, 降低了电子的传输效率, 导致光电流下降, 电池效率降低; 四氯化钛处理电极增强了基底导电面与薄膜界面以及二氧化钛粒子间的电接触, 加快电子传输使光电流增强; 引入散射层, 提高了电池在长波段的光捕获效率, 从而提高了电池的效率.     

Grätzel电池用TiO2致密膜的制备和表征

选择钛酸四丁酯-石油醚溶液体系, 使用浸涂、烧结方法制备了致密TiO₂薄膜. 利用X射线光电子能谱(XPS)测试了薄膜的组成, 并用原子力显微镜(AFM)研究了制备工艺对表面形貌的影响. TiO₂致密膜的透射光谱表明, 该薄膜在可见光区有很好的透过率. 利用该种致密TiO₂膜, 制备了固态Grätzel电池, 其光电特性表明, 所制得的致密膜起到了很好的阻隔导电基底和空穴传输层的作用.     

面包酵母菌、纳米TiO2及其复合吸附剂对Cu2+ 吸附性能的比较

采用TiCl4液相水解法, 制备粒径在40～80 nm的锐钛型纳米TiO₂. 将制得的纳米TiO2配合面包酵母菌制作复合吸附剂并用于Cu²⁺的吸附研究, 发现复合吸附剂量为5 g·L^-1, pH≥4.0, 吸附时间40 min, [Cu²⁺]=10 mg·L^-1的条件下, 复合吸附剂中纳米TiO₂提高了面包酵母菌对Cu2+的吸附率, 即面包酵母菌和纳米TiO₂对Cu²⁺的吸附产生了协同作用. 利用扫描电子显微镜、红外光谱、Zeta电位等仪器对复合吸附剂进行测试分析. 结果表明, 复合吸附剂中面包酵母菌与纳米TiO₂主要依靠配位键、氢键相互结合, 受静电吸引影响较小. 同时, 复合吸附剂的稳定性及TiO₂的负载量与溶液中H+浓度有很大关系.     

染料敏化太阳能电池中聚合物电解质的优化

用纳晶TiO₂及离子液体1-甲基-3-丙基咪唑碘盐两种功能添加剂对PEO聚合物准固态电解质进行优化, 提高了电池的光电性能. 用(PEO)₈︰LiI︰TiO₂︰IE︰I₂ = 3︰3︰3︰7︰1(摩尔比)的电解质组装电池, 在100 mW/cm²光强下电池光电转换效率达到3.2%, 与无功能添加剂的电解质相比, 光电转换效率提高8倍. 电解质体系的电导率研究表明, 电池光电性能的提高与体系电导率的增大密切相关.     

负载纳米二氧化钛的弥散光纤在光催化废水处理中的应用

采用SiO₂及TiO₂的双层膜结构将锐钛矿型TiO₂负载在新型透紫外光型弥散光纤上. 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片表明双层膜与弥散光纤的结合性很好, 而且负载的TiO₂膜比较均匀、平整. 负载TiO₂的单根弥散光纤对活性艳红X-3B的光催化降解结果表明, 弥散光纤的侧面散射紫外光强能够激发TiO₂发生光催化氧化反应. 负载TiO₂的新型透紫外光型弥散光纤为光纤型反应器在光催化废水处理中的应用开拓了新思路.     

( Ni0.81Fe0.19) 1-xCrx缓冲层上生长高各向异性磁电阻Ni0.81Fe0.19薄膜的研究

用直流磁控溅射方法制备了以(Ni_0.81Fe_0.19)_1-xCr_x为缓冲层的Ni_0.81Fe_0.19薄膜, 研究结果表明：当缓冲层厚度约为4.4 nm, Cr的浓度约为36(原子百分数)时, Ni_0.81Fe_0.19薄膜的各向异性磁电阻(AMR)值较大, 其最大值达3.35%. 原子力显微镜(AFM)及X射线衍射(XRD)研究表明：Ni_0.81Fe_0.19薄膜AMR值最大时, 其表面平均晶粒尺寸最大, Ni_0.81Fe_0.19(111)衍射峰最强.     

联吡啶钌络合物敏化钠晶多孔TiO2薄膜电极光电性能研究

<正>用有机光敏染料敏化半导体电极,拓展其光谱响应,可以改进宽禁带半导体的光电转换性能。近来,Graetzel研究联吡啶钉络合物敏化纳晶多孔TiO₂薄膜,使光电转换效率大大提高,进一步证明这是提高半导体光电性能的一个非常有效的措施。联吡啶钌络合物有较强的可见光吸收,其氧化态稳定性高,是一种理想敏化剂。为设计、发展新型有机光敏体系、进一步提高敏化效果,本文研究联吡啶钌的空间结构因素和纳晶多孔TiO₂薄膜电极的表面处理改性对其敏化性能的影响。     

模板法制备CdS/TiO2纳米管复合阵列薄膜及其光电性质

采用ZnO 纳米棒阵列为模板在氧化铟锡(ITO)导电玻璃衬底上制备了CdS/TiO₂ 纳米管复合薄膜. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收分光光度计(UV-Vis)及表面光电压谱(SPS)研究了不同CdS 沉积时间对复合薄膜的形貌、晶体结构、光电性质的影响. 研究结果表明, TiO₂ 纳米管阵列表面沉积5 min CdS 纳米颗粒后, 其表面光电压信号得到增强, 并且其吸收光谱可拓展到可见光区; 与吸收光谱相对应, 在可见光区出现新的光电压谱响应区, 这一现象说明与CdS 复合可显著提高TiO₂ 纳米管阵列的光电特性; 随着CdS 纳米颗粒沉积时间的增加, 复合纳米管阵列薄膜在可见光区域的光电压强度逐渐减弱, 我们用不同的电荷转移机制对此现象进行了详细的讨论和解释. 除此之外,我们对TiO₂ 纳米管阵列结构的比表面积对复合结构的光电特性影响也做了深入的讨论.     

非晶态SiO2过渡层上高C轴取向LiNbO3薄膜及生长机制探讨

利用脉冲激光沉积(PLD)技术在单晶硅衬底的非晶态SiO₂过渡层上外延生长了具有优良结晶品质和高度C轴取向性的LiNbO₃光波导薄膜. 利用X射线衍射、高分辨电子显微镜和原子力显微镜等手段对LiNbO₃薄膜的结晶品质和C轴取向性等进行了系统的分析, 基本确定了薄膜C轴外延生长的最佳沉积参数. 非晶态SiO₂过渡层上的LiNbO₃薄膜由尺度约为150 nm×150 nm的四方柱状C轴取向的单晶畴紧密排列而成, 并且具有陡峭的界面结构. 棱镜耦合技术测量表明, 激光可以被耦合到LiNbO₃薄膜中, 形成TE和TM模式的光波导. 此外, 对于LiNbO₃薄膜在非晶过渡层上择优取向生长的物理机制和薄膜基底效应进行了初步探讨, 提出其生长机制很可能符合光滑晶面上三维岛状成核生长的Volmer模式.     

单斜相片状纳米TiO2的合成和表征

采用一种新方法合成了单斜相TiO₂纳米片, 该方法主要包括钛酸纳米片的制备和随后的焙烧两个过程. 首先将自制的锐钛矿粉体TiO₂放入10 mol/L NaOH溶液进行水热反应, 随后在超声波作用下用酸洗涤其固体产物得到钛酸纳米片. TEM结果显示钛酸纳米片的尺寸随着水热反应温度(150~200℃)的升高而变大. 较高温度(180~200℃)下的水热反应生成的钛酸纳米片在400~500℃焙烧后可以转变成具有一定光催化活性的单斜相TiO₂(B)纳米片, 但在较低水热反应温度(150℃)下生成的钛酸片状产物在400~500℃焙烧后却转变为锐钛矿TiO₂纳米颗粒.