二氧化钛复合纳米纤维的制备及其在染料敏化太阳能电池的应用研究
染料敏化太阳能电池作为转换太阳能的一种光电器件，以工艺简单，成本低，绿色环保等特点成为近期太阳能电池的佼佼者，但其电池效率还有待提高，提高电池的光电转换效率可从两方面着手，一是提高染料吸附量增强太阳光吸收能力，二是提高光生电子传输效率。文章采用静电纺丝制备一维纳米纤维提高电子传输的有效性，同时利用电纺纤维特有的大比表面积增加染料吸附量，并同时以石墨烯、氮和黑磷等非金属元素对TiO2纳米纤维进行掺杂与共掺杂，以期从增强光阳极的光吸收能力，提高光生电子有效传输效率两个方面共同提高电池效率。以下为本论文的具体研究内容: 首先，利用静电纺丝制备石墨烯-TiO2纳米纤维，以石墨烯所占的比重，纺丝电压、进液速度和纤维热处理温度等变量下复合纤维为研究对象，通过SEM和TEM形貌分析，XPS和Raman元素分析，以及UV-Vis紫外可见光谱分析，发现以正压17kV加载针头，推进速度0.6ml/h，石墨烯含量取0.6wt％，热处理温度550℃时，得到的石墨烯-TiO2纳米纤维，相貌好，产量大，直径分布集中，有益于光吸收与利用。 其次，通过氮和黑磷对石墨烯-TiO2纤维展开了进一步地优化研究，首先采用水热法，对静电纺丝最优实验参数下的石墨烯-TiO2纤维进行了氮掺杂。通过XPS测试验证氮晶体结合到石墨烯-TiO2纤维中;通过UV-Vis测试，证明氮掺杂后复合纤维对可见光的吸收强度在原来基础上进一步提高。接着，采用液相剥离-低功率超声辅助制得纳米黑磷。通过TEM和AFM观察得到的片状黑磷直径在200-300nm，厚度在10-30nm;通过Raman分析，说明所得纳米黑磷与少层黑磷特征峰基本一致，证明制备所得黑磷为二维纳米材料;然后以自组装法将纳米黑磷与电纺复合纤维相结合得到黑磷-石墨烯-TiO2纤维。总的来说，对石墨烯-TiO2纳米纤维进行优化，可以进一步改善石墨烯-TiO2纳米纤维的性质，提高对太阳光的吸收能力。 最后，将静电纺丝得到的石墨烯-TiO2纤维，以及氮、黑磷分别与石墨烯共掺杂的复合纤维应用到电池中，并以J-V曲线、IPCE等表征手段对组装的电池进行了性能测试。结果表明，0.6wt％的石墨烯-TiO2纳米纤维的电池效率最高，共掺杂氮后，电池效率在原有基础上提高了26％，而共掺杂黑磷后，电池效率最高提升了32％。 总的来说，论文通过研究静电纺丝石墨烯-TiO2纤维工艺参数和实验配方，总结出了最佳的实验条件与石墨烯比例，并以此条件下的石墨烯-TiO2复合纤维为框架，通过水热法，液相剥离及自组装法与静电纺丝纤维结合的方式，将以氮和纳米黑磷分别掺杂电纺石墨烯-TiO2纳米纤维，通过对氮和黑磷两种元素共掺杂石墨烯-TiO2电池光电性能及参数的对比，发现黑磷掺杂石墨烯-TiO2时电池效率增长率最大达到32％，这说明黑磷在提高电池效率方面有很大潜力，而且将黑磷与不同含量石墨烯共掺杂TiO2纤维并将其应用于光阳极的研究目前基本没有文献可供参考，而电池效率的研究提供有益参考。
染料敏化太阳能电池;复合材料;纳米纤维;二氧化钛;石墨烯;制备工艺;光电性能
北京化工大学
硕士
安全科学与工程
刘勇
2018
中文
TM914.4;TM242:TM205.1
100
2018-09-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）