基于分子吸附的新型太阳能电池机理研究

论文总字数：17610字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文的内容与结构 6

2 合成方法以及薄膜制备 7

2.1 Ti₆(µ₄-O)(cat)₆(OPrⁱ)₁₀ ·toluene [Ti₆cat₆]的合成 7

2.2 薄膜的制备 8

2.2.1 TiO₂薄膜的制备 8

2.2.2 钛氧团簇薄膜的制备 9

3 Ti₆cat₆在溶液中的光学性质 10

3.1 Ti₆cat₆在无水乙醇溶液中的紫外可见吸收光谱 10

3.2 Ti₆cat₆在甲苯溶液中的紫外可见吸收光谱 11

4 Ti₆cat₆吸附在SnO₂上的光学性 13

4.1 Ti₆cat₆吸附在SnO₂上的紫外可见光吸收性质 13

4.2 Ti₆cat₆吸附在SnO₂上的荧光性质 14

4.3 Ti₆cat₆吸附在TiO₂上的电学性质 19

5 结论与展望 21

参考文献 21

致谢 23

基于分子吸附的新型太阳能电池机理研究

许磊

,China

Abstract：We investigated an inorganic-organic hybrid polyoxotitanate cluster in this paper. The feasibility of the new type of solar cell material is demonstrated by the study of the optical and electrical properties of the polyoxotitanate cluster-based photoelectrode. We found a polyoxotitanate cluster containing Ti₆cat₆, which is obtained from a journal article published on JACS by two professors, Jason, B. Benedict and Philip Coppens, and made the Ti₆cat₆-based polyoxotitanate in accordance with the actual situation. In this new polyoxotitanate-based solar cell system, the Ti₆cat₆-based polyoxotitanate/conductive glass working electrode has the potential to form a new type of solar cell material that can be compared with the traditional dye-sensitized solar cell. It was found that the polyoxotitanate clusters based on Ti₆cat₆ in different solvents showed excellent optical properties; compared with TiO₂, the UV visible absorption spectra, fluorescence and photocurrent were also improved. Moreover, their electrical properties can also be enhanced when the polyoxotitanate clusters are adsorbed on TiO₂. We believe that through further fabrication experiments on the novel structures, polyoxotitanate clusters can be used as a new type of solar cell material to show better optoelectronic properties in different optoelectronic instruments.

Key words：Dye-sensitized solar cell；Ti₆cat₆；Polyoxotitanate Clusters；Photocurrent

1 绪论

1.1 研究意义

如今，人类主要使用的的能源主要是核能源和不可再生的化石燃料包括石油、煤炭和天然气。这些不可再生的化石能源终有一天将被耗尽并且伴随着这些燃料的使用还有大量的二氧化碳的排放。随着地球环境的日益恶劣，石油资源日益减少，为了减少二氧化碳的排放问题，各国科学家们便将目光放在清洁能上。目前人们通过各种方法已经发现了风能、太阳能、潮汐能等。太阳能资源是其中备受关注并且人们急切于将其应用的清洁能源之一。太阳能可以说是最常见的能源，只要阳光能够照射到的地方就可以设置。太阳每天照射在地球上的能量120千兆瓦的能量，可以提供地球上全部人类使用20年^[1][2]。近乎取之不尽的能源已经成为了各个国家眼中的“香饽饽”。

普通的晶硅太阳能电池是使用高纯度的半导体材料来避免缺陷的，并且依赖于自生内置的电场来分离出来的感光电子-空穴对。由于硅的禁带宽度不高，同时又具有较高的光电转换率，产生电的同时还不生产污染物。但由于生产要求过高，成本并不低，所以现在也只是大型企业或者国家才有可能大规模使用。图1便是硅太阳能发电厂,这么大规模的使用是需要大量的资金支持的。相对的，染料敏化太阳能电池只需要在普通的实验室环境下便可以制得，对于材料的纯度远远没有高要求。并且低成本，效率相对较高的特性也吸引了许多研究者。然而，随着是将的推移，科学家的进一步研究，也使得染料敏化太阳能电池各个器件尤其是工作电极部分也越来越复杂。它自身也是一个很好的分子系统样本，电池整体的功能要比从其他部位的预测的性能总和更好。图2则是一块染料敏化太阳能电池的应用。

图1 硅太阳能发电厂

图2 染料敏化太阳能电池

在上个世纪末，使用基于分子的设备来建造一个强大的大型太阳能发电设施的是异想天开的。但是，1997年奥瑞根和迈克格瑞兹博士的论文影响了许多人，并且促使研究人员开始向染料敏化太阳能电池方向发展。

染料敏化太阳能电池与其他太阳能电池技术相比，在漫射光条件下和更高温度下的性能也相对较好。它们的出现也给科学家们提供了设计非晶硅太阳电池的可能性，在透明度、形状和颜色方面有很大的广阔应用，如果普遍应用到不同的产品中一定会带来新的商业机会。

而常常作为光催化剂，在氧化污染空气和废水中的有机物的过程中以达到治理环境的钛氧纳米粒，在太阳能电池中也是不可缺少的一份子。在染料敏化太阳能电池中，电子注入到从敏化剂分子上到一般是二氧化钛纳米颗粒组成的导带。所以电子的注入取决于激发的敏化剂分子的能级以及半导体的费米能级和带隙，另外还取决于发色团的附着方式和它们附着的半导体的结构。

已经很多人研究过用染料敏化过的TiO₂材料，所以染料敏化太阳能电池的工作原理已经众所周知。大致的工作原理是光照射在染料分子上，是电子从基态激发至激发态，然后电子转移至半导体中产生电流，从而实现光能转换为电能的程序。现如今我们对与分子表面的详细图像以及精确的能带微观图像是难以通过实验来确定的。不过对于染料分子与TiO如何连接，是通过何种相键结合的研究是必不可少的，所以通过模拟计算这些分子的表面结构和电子转移便应运而生。染料敏化太阳能电池虽然研究颇多，但对于染料修饰过的钛氧团簇应用到太阳能中的研究却并不多。

在基于染料敏化太阳能电池的原理上，我们使用钛氧团簇代替染料吸附的二氧化钛，命名了一种新型太阳能电池--钛氧团簇太阳能电池。钛氧团簇也是属于钛氧纳米粒，但研究钛氧团簇多半是起源于其在晶体学上的特殊结构。钛氧团簇的的结构也被研究人员所解析，意外地发现结构和界面与二氧化钛纳米粒相似，并且其中配位分子与钛氧核的结合与染料敏化太阳能电池中的染料和二氧化钛的结合也是惊人的相似。不同的是，染料是分子吸附二氧化钛界面，这种吸附也是非常不稳定的，一旦染料分子吸附层数过多或者过少，当太阳光照射在染料上时，电子跃迁激发时，过多和过少的染料分子都会阻碍了电子的传输。钛氧团簇的中心钛氧核吸附周围的分子则是更为紧密的分子吸附，而且不会因为在染料敏化太阳能电池中普遍存在的由于吸附不够紧密导致电子与电解质的还原反应。

1.2 国内外研究现状

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：17610字

相关图片展示：