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两步固相法制备Zn2SnO4多元复合光阳极及性能研究答辩人：文秋香专业：能源材料与工程指导老师：庄稼（教授）2013级硕士研究生开题答辩主要内容2•一、研究背景及意义•二、国内外研究现状•三、选题的理论依据•四、研究内容及技术路线•五、预期结果及进度安排主要内容3•一、研究背景及意义•二、国内外研究现状•三、选题的理论依据•四、研究内容及技术路线•五、预期结果及进度安排4一、研究背景及意义材料信息能源5一、研究背景及意义6一、研究背景及意义储量大污染小可再生水能太阳能风能生物质能替代能源要求地热能潜力大资源丰富开发利用技术较成熟一、研究背景及意义7硅基太阳能电池化合物薄膜太阳能电池效率很高、性能稳定，制备工艺较成熟成本高、制备过程污染大能耗低、制备工艺简单，原料丰富、环境污染小效率低成本有所降低，效率较高部分元素污染环境、或储量有限，限制电池广泛应用便携、适合制备柔性电池效率低，对氧、水较为敏感稳定性差太阳能电池有机太阳能电池染料敏化太阳能电池一、研究背景及意义8染料敏化太阳能电池是（DSSC）由光阳极（导电基底、半导体薄膜、敏化剂）、电解质和Pt对电极组成的三明治夹心状电池。DSSC结构及工作原理图9基底材料光阳极材料染料电解质对电极研究方向：光阳极材料一、研究背景及意义优异的光阳极材料、结构组合将对提升电池效率有着很大帮助。因此，对其的研究具有很大的研究价值。主要内容10•一、研究背景及意义•二、国内外研究现状•三、选题的理论依据•四、研究内容及技术路线•五、预期结果及进度安排11二、国内外研究现状TiO2ZnOSnO2Zn2SnO4SrTiO3Nb2O5CdS光阳极种类由于受到电子传输速度及染料性能的影响。目前，转换效率13%左右。本课题研究对象多元复合光阳极12此两项研究证实了其作为光阳极材料的可能性，也为DSSC光阳极材料开辟了新的路径。历史Zn2SnO4光阳极研究现状2007年，TeresaLanaVillarreal等人采用水热法，制备出Zn2SnO4纳米粒子；首次将其应用到DSSC中，光电转换效率为1.1%。同年，美国俄亥俄州立大学的BingTan等人用溶剂热方法制备的Zn2SnO4，在DSSC中的达到了3.8%的光电效率。131.制备方法Zn2SnO4光阳极研究现状目前，关于纳米材料的制备方法多种多样（气相法、液相法、固相法）。Zn2SnO4的制备方法主要是液相法，（包括水热法[1]、溶剂热法[2]等），此外还有气相沉积法[3]等。水热法以其独特的反应条件，在纳米材料的制备上，仍占据一定优势。但由于其反应周期较长，产率低限制了该方法的进一步推广应用。[1].TeresaLana-Villarreal,GerritBoschloo,AndersHagfeldt.J.Phys.Chem.C,2007,111:5549-5556[2].BingTan,ElizabethToman.J.Am.Chem.Soc,2007,129:4162-416[3].JiajunChen,LiyouLu,WenyongWang.J.Phys.Chem.C,2012,116:10841-10847纳米线[4]:Zn2SnO4，暗电流降低，使得电池的Voc增加0.1V；纳米片[5]:层状Zn2SnO4纳米粒子；（光散射增加、电子传递速度增加）微球结构[6]：SnO2-Zn2SnO4；（水热法、旋涂法）纳米棒阵列[7]：ZnO-Zn2SnO4（两步水热法）142.形貌结构Zn2SnO4光阳极研究现状[4].JiajunChen,LiyouLu,WenyongWang.J.Phys.Chem.C,2012,116:10841-10847[5].Yu-FenWang,Ke-NanLi,Yang-FanXu.NanoEnergy,2013,2:1287–1293[6].MingLiu,JunyouYang,ShuanglongFeng.MaterialsLetters,2012,76:215–218[7]TanujjalBora,HtetH.Kyaw,JoydeepDutta.ElectrochimicaActa,2012,68:141-145表面处理：Al3+表面处理[8]、TiCl4表面处理[9]；模板剂处理[10]：聚苯乙烯，分层大孔的Zn2SnO4；不同孔径的阳极材料表现出了不同的性能，孔径越小效率越好；双层结构[11]：光散射层和染料吸附层（纳米片+多孔结构）；复合光阳极[6-7]：SnO2-Zn2SnO4、ZnO-Zn2SnO4。153.优化改性Zn2SnO4光阳极研究现状[8].YafengLi,XiangzhenZheng,etal.ElectrochimicaActa,2011,56:9257-9261[9].SeongSikShin,JuSeongKim,etal.ACS.NANO.,2013,7(2):1027-1035[10].Yu-FenWang,Ke-NanLi,Yang-FanXu.NanoEnergy,2013,2:1287–1293[11]Long-BinLi,Yu-FenWang,Hua-ShangRao,etal.ACSAppl.Mater.Interfaces,2013,5:11865-11871Zn2SnO4具备作为DSSC光阳极材料的潜力，并已表现出较好的光电性能性能[12]。Zn2SnO4制备方法的改进、结构的优化与改性处理可作为今后重要的研究方向。研究现状表明[12].Yu-FenWang,Ke-NanLi,Yang-FanXu.Nanoscale,2013,5:5940-59481、本课题拟采用两步固相法制备Zn2SnO4多元复合光阳极材料；（高效、高产）2、寻找新的、性能优异的Zn2SnO4多元复合体系，提升电池的效率。(Zn2SnO4、Zn2SnO4/Sn2O、Zn2SnO4/Sn2O/ZnO等)主要内容17•一、研究背景及意义•二、国内外研究现状•三、选题的理论依据•四、研究内容及技术路线•五、预期结果及进度安排18三、选题的理论依据根据低热固相配位化学理论，低温条件下的定性合成与分子自组装，模板剂的存在可制备多种排列的纳米材料；(前驱体)高温烧结可提高晶体的结晶性，改善纳米材料的性能，获得性能稳定的产物；(成品)目前有研究者已采用低热固相法制备出LiMn2O4[13]、NiCo2O4[14]等复合氧化物；两步固相法Zn2SnO4（多元复合光阳极）[13].黄玉代,李娟,贾殿赠.无机化学学报,2004,20(7):837-841[14].庄稼,迟艳华,王栋.无机材料学报,2007,22(1):40-44本课题已设计体系反应如下：2[Zn(NO3)2·6H2O]+SnCI4·5H20+8NaOHZn2Sn(OH)8+4NaC1+4NaNO3+17H2OZn2SnO4（ZnO/SnO2）19三、选题的理论依据常见半导体光阳极材料禁带宽度对比禁带宽度（eV）禁带宽度（eV）TiO2(金红石)3.0Zn2SnO43.6TiO2(锐钛矿)3.2ZnO3.2SnO23.5常见半导体电子迁移率对比[15-16]TiO2SnO2ZnOZn2SnO4电子迁移率cm2V-1s-10.1-1.0100-200200-100010-15禁带宽度电子迁移率[15].T.J.Coutts,D.L.Young,etal.JournalofVacuumScienceandTechnologyA,2000,18:2646-2660[16]WangY,TianJ,FeiC,etal.TheJournalofPhysicalChemistryC,2014.20三、选题的理论依据两步固相法优势：操作简单、能耗低、无污染、生产效率高、产物产率高等优点，目前已广泛应用于纳米材料的合成；Zn2SnO4多元复合体系(Zn2SnO4、Zn2SnO4/Sn2O、Zn2SnO4/Sn2O/ZnO)，可将各组分的劣势得到部分抑制，长处得以发挥，最终有望产生1+12的效果。根据以上理论依据，以及目前实验的进展，可知此课题方案是可行的，并且将会取得不错的研究成果。主要内容21•一、研究背景及意义•二、国内外研究现状•三、选题的理论依据•四、研究内容及技术路线•五、预期结果及进度安排四、研究内容、技术路线◆1、研究课题将首次采用两步固相法制备Zn2SnO4多元复合光阳极材料(Zn2SnO4、Zn2SnO4/Sn2O、Zn2SnO4/Sn2O/ZnO)，并应用到DSSC;◆2、对Zn2SnO4多元复合体系，通过调整各组分比列，优化制备条件来进行体系优选；◆3、优选出性能最优的体系，进行优化处理（表面改性），进一步提升电池的光电转换效率；22反应原料的优选实验参数控制结构表征Zn2SnO4低热固相合成实验光阳极薄膜成膜剂造孔剂粘接剂染料、对电极、电解质选出性能最优的光阳极体系中温固相热处理多元复合体系简易DSSC性能表征四、研究内容、技术路线获得最优结构，提高电池性能优化处理总结撰写论文主要内容24•一、研究背景及意义•二、国内外研究现状•三、选题的理论依据•四、研究内容及技术路线•五、预期结果及进度安排预期结果◆1、采用两步固相法，成功制备出Zn2SnO4多元复合光阳极材料，应用到DSSC中，具有较好的光电转换性能；◆2、能获得光电转换效果最优的多元复合光阳极体系；◆3、对最优体系进行优化处理后，提升电池的光电转换性能；◆最后，希望能拓宽固相法在DSSC研究领域的应用范围，降低电池成本，为电池的广泛应用提供参考。25可能存在的问题◆1、与液相法相比，固相法的反应环境均匀性较差，可能导致产物粒径具有一定差异；（研磨反应时间，微量分散剂）◆2、制备多元体系时，组分比列的调整、体系的优选将会是此次研究的重点；（严控各反应组分的量）26进度安排27◆本文计划分五个阶段实施完成：◆（1）2014年8月—2014年9月：阅读文献、搜集最新信息，确定详细的实验方案；◆（2）2014年10月—2015年5月：Zn2SnO4多元复合光阳极材料的制备、体系优选及其性能表征◆（3）2015年6月—2015年8月：后续的优化实验◆（4）2015年9月—2015年11月：撰写论文◆（5）2015年12月—2016年3月：补充实验，完善论文28请各位老师提出宝贵意见，谢谢！