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LOGON/Gd共掺杂TiO2纳米管阵列太阳能电池薄膜材料及电池光电性能研究CompanyLogo研究背景及现状1研究内容2研究方案3可行性分析及创新点4CompanyLogo1.1研究背景随着现代科技的发展、人口的增加，整个世界面临着能源危机和环境污染两大问题。而太阳能是一种无污染并且取之不尽的能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力，充分利用太阳能有利于保持人和自然的和谐发展。作为利用太阳能的重要手段，太阳能电池具有十分广泛的应用前景。当前市场上的太阳能电池产品主要有晶体硅和非晶硅两种，但两者均存在某些不尽人意之处，前者制备工艺复杂，成本高，后者的寿命短，效率低。CompanyLogo1.1研究背景自1991年，MichalGratzel研制出以过渡金属Ru的配合物为染料的纳米晶体TiO2太阳能电池，目前其最高光电转换效率在AM1.5条件下已达到11.04%。因其价格低廉、制作简单、效率较高等优点引起了广泛关注。CompanyLogo1.2国内外研究现状Grätzel2001年，首次提出了TiO2纳米管阵列薄膜的制备方法,采用阳极氧化在钛片表面制备了一层高度有序的纳米管阵列结构。目前最高光电转换效率11.04%。Adachi成功利用管长为300nm、管径为10nm的TiO2纳米管制备出染料敏化太阳能电池，其光电转换效率为4.88%。Gopal用TiO2纳米管制备出的染料敏化太阳能电池，在光照条件下产生的光电密度为7.87mA/cm2，其光电转化效率为2.9%。CompanyLogo用于电池的电极材料但是：对于染料敏化TiO2太阳能电池面临两大技术突破电池的光电转化效率和稳定性那么，如何解决这两大难题呢？CompanyLogo研究表明，应用于染料敏化TiO2太阳能电池的高效TiO2膜应尽可能满足两个条件:（1）具有高的空隙率；（2）大的比表面积。这样以便尽可能吸附多的染料，从而提高染料敏化TiO2太阳能电池。CompanyLogo有序阵列TiO2纳米管薄膜作为电极材料高度有序性比表面积大吸附能力强利于光生载流子的迁移CompanyLogo但有序阵列的TiO2纳米管薄膜作为染料敏化太阳能电池的关键材料，也存在缺陷：（1）光吸收波长范围狭窄（λ387nm)，吸收波长大都在紫外区，利用太阳光比例低(仅占3％～4%）；（2）是光生电子与空穴的复合率高，量子效率很低。那么如何解决呢？CompanyLogo稀土离子金属离子参杂过渡金属离子掺杂非金属掺杂贵金属修饰表面螯合衍生物半导体复合Text因此，目前为了提高TiO2对太阳光的利用率，研究者采用各种手段对其改性：CompanyLogo研究发现：非金属元素特别是氮元素的阴离子掺杂是可以使TiO2在不降低紫外光范围内光活性基础上实现可见光响应的较好方法。但是，非金属掺杂并不能很好地提高TiO2的量子效率。而一些研究发现，适当的稀土金属掺杂可以引入缺陷或改变能带结构，扩展TiO2的光响应范围，减少电子和空穴的复合，从而有效地提高TiO2的量子效率。因此，本课题选用稀土元素Gd和非金属N作为掺杂基质，将其应用于制备有序阵列TiO2纳米管薄膜。CompanyLogo目前制备有序阵列TiO2纳米管的方法有：阳极氧化法、模板合成法、水热合成法等。而模板法中最常用的模板主要是含有孔洞无序分布的高分子模板和有序孔洞阵列氧化铝模板（PAA）。而多孔氧化铝模板由于具有耐高温，绝缘性好，孔径孔深大小可控和稳定的化学惰性等特点，已经成为纳米材料制备的研究热点。目前的研究如下：CompanyLogoCompanyLogo溶胶-凝胶结合电泳沉积技术具有两大优点：（1）工艺上容易通过改变电参数、电解液成分等条件控制材料的成分、结晶组织和晶粒大小；（2）所需的设备简单、操作方便、沉积工艺容易控制。CompanyLogo2.研究内容掺杂溶胶和PAA模板的制备电泳沉积工艺电池光电性能测试（1）选用稀土元素Gd和非金属元素N为共掺杂基质，研究N/Gd共掺杂产生的协同效应及与TiO2基质的相互作用。（2）考察不同电解液浓度，氧化电压，氧化时间等工艺条件对PAA模板结构的影响。探究N/Gd共掺杂TiO2纳米管薄膜的微观结构和工艺条件与电池性能的量化关系。考察不同电泳条件，如电泳电压、电泳时间、胶体浓度、煅烧时间等，得到最佳工艺条件，探讨其与材料性能测试的关系。通过XRD、TEM、SEM、BET和XPS等对材料进行表征，研究其微观结构。阵列纳米管薄膜表征CompanyLogo3.研究方案CompanyLogo3.1PAA模板的制备预处理过程阳极氧化过程后处理过程首先将做好记号的铝箔在石英管中N2气氛保护下，500℃退火30min；其次用丙酮和水超声去脂；然后在高氯酸、乙醇和水(体积比=2:2:1)的混合溶液中电化学抛光。（1）一次阳极氧化（2）将氧化的铝片在H3PO4（6wt%）和H2CrO4（1.8wt%）混合液(除膜液)中，在30℃下浸泡10h或者在60℃下浸泡6h（3）采用与一次阳极氧化相同的条件进行二次阳极氧化。二次阳极氧化之后的后处理过程主要包括：去除铝层、去除阻挡层及扩孔。CompanyLogo3.2纯TiO2溶胶及N/Gd共掺杂TiO2溶胶的配制纯TiO2溶胶的制备：溶液A：将10ml钛酸四丁酯，50ml无水乙醇，混合均匀，室温下磁力搅拌20min溶液B：将无水乙醇10ml，去离子水3ml，冰醋酸3ml，混合均匀，磁力搅拌10min将A溶液逐滴缓慢加入B溶液中，在室温下搅拌30min。陈化至透明胶体形成。N/Gd共掺杂TiO2溶胶的制备：将一定质量分数的硝酸钆和一定配比的氨水溶液，加入上面B溶液中，重复上面过程就得到掺杂样品。CompanyLogo3.3电泳沉积法制备有序阵列纯TiO2及N/Gd共掺杂TiO2纳米管薄膜将铂钛网作为阳极，与以有效面积为2.6cm×7.5cm且经后处理的多孔氧化铝模板为阴极，分别插入盛有纯TiO2和N/Gd共掺杂的TiO2溶胶的电解池中，施加2～5V直流电压，通电时间1～3min后，将PAA模板带电取出，在潮湿的空气中干燥后于管式炉中N2气氛300～700℃煅烧30min。将经过煅烧的模板表面用1500号砂纸打磨后，置于60℃的H3PO4（6wt%）和H2CrO4（1.8wt%）混合液中，使氧化铝模板部分溶解，从而暴露出在氧化铝孔道中生成的N-Gd-TiO2/Al纳米管阵列体系，然后小心地放在静止的去离子水中反复浸泡，在空气中晾干。CompanyLogoBETXRDTEMSEMUV-Vis3.4材料的表征CompanyLogo3.5光电性能研究（1）交流阻抗测试在0.1mol/LNa2SO4溶液中，采用三电极体系，N-Gd-TiO2/Al为工作电极，对电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，交流阻抗测量频率范围为10-2至105Hz，交流电压幅值为5mV，改变偏压或光照条件进行交流阻抗测试。CompanyLogo（2）染料敏化TiO2太阳能电池的I-V曲线测试1）对电极的制备2）染料和电解液的配制3）电池的组装4）光电性能测试CompanyLogo将制备好的N/Gd共掺杂TiO2纳米管阵列薄膜电极浸入5×10-4mol/L联吡啶钌染料的无水乙醇溶液中,放置12h后，待用。再将其与镀有铂黑的导电玻璃为对电极组装成三明治式太阳能电池,在两电极之间滴入电解质溶液:溶质为KI(0.5mol/L)+I2(0.05mol/L),溶剂为乙腈。将电池放在室内模拟太阳光(氙灯,AM1.5,100mW/cm2,光照面积为0.1cm2)下测试电池的I-V曲线,获得电池的开路电压(Voc)、短路电流（Isc）等参数。电池的组装及光电测量CompanyLogo性能参数:开路电压：Voc；短路电流：Isc；最大输出功率：Pmax；填充因子：FF；光电转化效率：η。短路电流和开路电压都是电池最重要的参数，对于短路电流和开路电压都相同的两个电池，制约其效率大小的参数就是填充因子，填充因子大转化效率高。所得到I-V曲线如右图示CompanyLogo4.可行性分析和创新性1本研究小组的部分工作表明，一定配比N/Gd共掺杂体系使TiO2纳米粉体吸光性能明显增强，且高于单掺杂的，说明Gd与N在TiO2基质中存在相互作用。但Gd与N本身之间的协同作用，以及它们与TiO2基质的作用机制的本质因素，值得进一步深入研究。23对于实验所需药品及设备已基本具备鉴于溶胶-凝胶法的两大优点(a，制备的化合物可以再分子水平；b，通过静电稳定的许多胶体有良好稳定性，从而避免胶粒团聚)和电泳沉积工艺简单容易和可控性等特点，将改性的溶胶-凝胶法与电化学沉积技术相结合，是制备有序阵列TiO2纳米管薄膜最有前景的方法之一。4.1可行性分析CompanyLogo4.2创新点1利用PAA模板技术，结合改性的溶胶-凝胶电泳沉积复合技术制备具有良好光电活性的有序阵列N/Gd共掺杂TiO2纳米管薄膜。2对TiO2进行掺杂改性处理，本课题兼顾稀土元素钆和非金属的互补优势，选用钆和氮为掺杂基质，研究掺杂与TiO2基质作用机理，N与Gd之间协同机制，及掺杂与光电活性的作用机制进行量化分析。LOGO