纳米 TiO 2 光阳极材料的共掺杂 及光电化学性质的研究
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Transcript of 纳米 TiO 2 光阳极材料的共掺杂 及光电化学性质的研究
1.1 太阳能电池简介1.1 太阳能电池简介技术分代
电池类型 转换效率( % ) 待解决问题
第一代单晶硅太阳能电池 16~18 工艺复杂,需降低过高的成本
多晶硅太阳能电池 12~14晶格缺陷和晶粒错位阻碍了光电效率
的提高
第二代
非晶硅太阳能电池 6~8 降低成本提高稳定性
铜铟镓锡11
铟的储量稀少 , 不足以支撑大规模生产
碲化镉 9 原料镉有剧毒 , 碲储量比白金还稀少
第三代
有机太阳能电池 6~7 提高稳定性 , 电池寿命和转换效率
染料敏化太阳能电池 5~12 提高转换效率和稳定性
2 国内外研究进展2.1 TiO2 改性方法2 国内外研究进展2.1 TiO2 改性方法
适合的元素或化合物进行适量的掺杂后可以显著增加电池的光电
转换效率。
改善纳米 TiO2
多孔薄膜的微观结构;活化 TiO2 表面,增大表面粗糙度;但改性效果表征至今仍不完善
表面修饰 复合结构光阳极 离子掺杂
在多孔 TiO2 薄膜表面利用半导体介质形成能垒,但是工艺操作复杂
2.2 掺杂改性2.2 掺杂改性
掺杂改性掺杂改性
金属掺杂金属掺杂
非金属非金属掺杂掺杂
共掺杂共掺杂
常见的非金属离子掺杂主要有 N S P C B等
金属离子的种类主要包括稀土金属离子和过渡金属离子
2.3 目前国内外研究进展2.3.1 单一非金属元素的掺杂2.3 目前国内外研究进展2.3.1 单一非金属元素的掺杂
参考文献: [1] Tingli Ma etal. Highly efficient dye-sensitized solar cells based on nitrogen-doped titania
with excellent stability[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 2011.219 :180–187
参考文献 :[2] H. Hafeza etal,Down-converting lanthanide doped TiO2 photoelectrodes for efficiency enhancement of dye-sensitized solar cells [J].Journal of Power Sources ,2011 ,196: 5792–5796
2.3.2 单一金属掺杂
2.2.3 非金属元素共掺杂
参考文献: [3] Shuming Yang etal. Improved efficiency of dye-sensitized solar cells applied with nanostructured N–F doped TiO 2electrode[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2012 ,73: 911–916
2.3.4 金属与非金属共掺杂
参考文献: [4] Jingchang Zhang etal, Study on the Performance of Zn,N/TiO2 Anode Film and Co-Sensitization in DSSC [J]. Inorg Organomet Polym ,2011, 21:43–49
3 论文研究内容
共掺杂
3 论文研究内容
共掺杂掺杂方法 干法: N2/NH3 法 湿法:溶胶—凝胶法,水热法掺杂元素 非金属元素: N、 S、 F 金属元素 :Fe、 Ag、 Co、 Nb、 La表征方法 XRD , EDS , SEM , UV-vis ,IPCE 等
3.1 近期工作
实验方案 1
3.1 近期工作
实验方案 1
TiCl44mL
+ HClPH=1 PH=7.5
rt,50% NH3.H2O
白色胶状沉淀搅拌2h,过滤,洗涤 1 加入250mL去离子水
2 2mol/L稀硝酸调PH=2
rt,室温2h85℃,2h
半透明胶状物体旋转蒸发,烘干 TiO2粉末
rt,过量三乙胺
静置,旋蒸,烘干
400℃,焙烧2hN/TiO2粉末 未煅烧N/TiO2粉末
+硝酸铁溶液
剧烈搅拌
N,Fe/TiO2粉末
离心分离 400℃,焙烧2h
样品 1 N-Fe 掺杂能谱图 样品 1 N-Fe 掺杂能谱图
• Element Element Wt.% Atom %• N K 0.00 0.00• O K 37.50 64.46• Ti K 58.38 33.52• Fe K 4.12 2.03• Total 100.00 100.00
Element Element Wt.% Atom %N K 22.34 28.20O K 36.39 40.21P K 0.28 0.16Ti K 23.28 8.59Fe K 2.78 0.88
样品 2 N-Fe 掺杂能谱图样品 2 N-Fe 掺杂能谱图
实验方案 2实验方案 2
考虑到实验结果的不稳定性可能跟实验方法有关,我同时采用了另一种方案进行掺杂;试图通过 4 个样品:纯 TiO2 、 N 掺杂 TiO2 、 Fe 掺杂 TiO2
及 N-Fe 共掺杂 TiO2 来构成一组平行实验来考察掺杂效果
考虑到实验结果的不稳定性可能跟实验方法有关,我同时采用了另一种方案进行掺杂;试图通过 4 个样品:纯 TiO2 、 N 掺杂 TiO2 、 Fe 掺杂 TiO2
及 N-Fe 共掺杂 TiO2 来构成一组平行实验来考察掺杂效果
10mL钛酸丁酯+10mL乙酸+50mL无水乙醇A
缓慢滴加
室温,24h 80℃干燥 500℃煅烧3h 球磨4h 旋蒸 涂片 烧片 TiCl4处理
二次煅烧 泡染料 测光电转换效率
空白(样品1)0.1g尿素(样品2) +5mL乙酸+25mL蒸馏水+25mL乙醇0.1g Fe(NO3)3(样品3)0.1g尿素+0.1g Fe(NO3)3(样品4) B
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
5
10
phot
ocuu
rent
/mA
/cm
2
photovoltage/V
N/TiO2
纯TiO2
Fe/TiO2
N-Fe/TiO2
掺杂 Fe 的量 /g
短路电流密度 / mA/m2 开路电压 /V
最大功率电流 / mA/m2
最大功率电压 /V
填充因子 / %
转化效率 / %
0.01 3.54 0.82 3.42 0.69 81.26 2.36
0.05 4.24 0.82 4.44 0.69 87.80 3.04
0.1 2.10 0.81 2.19 0.71 90.28 1.54
0.15 0.49 0.79 0.49 0.70 87.99 0.34
0.2 0.37 0.79 0.37 0.69 86.03 0.26
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
5ph
otoc
urre
ent/
mA
/m2
photovoltage/V
0.05g 0.01g 0.15g 0.2g 0.1g
3.2 实验存在问题与解决办法3.2 实验存在问题与解决办法
• 实验存在的问题:1 掺杂后效率没有提高反而降低;2 光电压没有改变,光电流存在很大程度降低;
• 解决办法: 1 用应用在光阳极的方法来制备 N/TiO2
2 尝试用其他铁源以其他方式掺入 N/TiO2 来制备 Fe-N/TiO2
4 实验进度安排4 实验进度安排
• 2012年 5月 -7月 : 阅读文献 , 熟悉实验流程 , 制定实验方案;
• 2012年 8月 -2012年 12月 : 探讨非金属元素跟过渡金属元素掺杂
• 2013年 1月 -2013年 7月 : 探讨非金属元素与稀土金属元素共掺杂,以期获得较高的转化效率;
• 2013年 8月 -2014年 1月 : 探讨非金属元素共掺杂;
• 2014年 2月 -2014年 5 月:探讨与卟啉类染料敏化剂的测试系统,优化测试条件;
• 2014年 5月 -6月 :整理数据 ,撰写论文 , 完成答辩 .