纳米TiO2在太阳能电池中的应用

纳米TiO2在太阳能电池中的应用

姓名：周蕊

学号：201005010333

单位：西安建筑科技大学华清学院

材料科学与工程1003班

指导老师：杨春利

摘要:利用纳米尺度的半导体材料如TiO2、ZnO、SnO2等作为太阳能电池的光电极的研究是世界范围的研究热点，其中纳米TiO2由于光稳定、无毒成为研究光电太阳能转

在太阳能电池中的应用研究的最新进换电池使用最普遍的材料。目的：研究纳米TiO

2

在其中的应用开发提供参考和借鉴。方法展状况,为国内太阳能电池的研发与纳米TiO

2

应用以最新的文献为基础,进行归纳分析,研究其应用研究的新进展。结果：纳米TiO

2于太阳能电池,主要介绍了纳米管、线、薄膜等在染料敏化太阳能电池(DSSCs)和有机光伏太阳能电池(OPV)中的应用研究的一些最新成果。这2种太阳能电池也是新型太阳能电池研究中的2 个热点研究对象,太阳能电池作为洁净环境友好的绿色可再生能源,

在太阳能电池中的的应用,使太阳能电是未来开发与应用研究的重点。结论：纳米TiO

2

池的光电转化效率大大提高,使用寿命大为延长,但是在商业化批量生产的征途中依然有许多问题有待解决。

关键词: 纳米TiO2，太阳能电池，绿色能源，染料敏化，光电转化

1.引言

关于纳米TiO

的研究动态的文献分析已经有报道[ 1], 但是其中并未涉及具体应用例证,

2

仅仅就全球范围内进入21 世纪以来的研究文献( 包括专利文献和非专利文献) 进行了统

在电池中的应用进展进行简要概述。

计分析, 而本文是将纳米TiO

2

随着矿物燃料的枯竭和燃烧后对环境带来的负面效应( 主要是温室效应) , 使人们对环境友好型清洁能源的开发和利用越来越重视, 倡导低碳经济就是在可持续发展与环境保

护并重的背景之下而提出的。太阳能的利用是环境友好型清洁能源之一, 光伏电池的研发

是太阳能利用的关键。纳米技术在光伏电池中的应用使其光电效率的转化大大提高, 特别是纳米材料在光伏电池中的应用, 对其飞速发展起到了有力的促进作用, 纳米TiO

2

就是其

中的一个典型代表。TiO

2

作为一种良好的电子传导纳米型半导体, 特别是采用溶胶凝胶法

制得的纳米TiO

2 , 在有机太阳能电池中可以作为空穴阻挡层, 激子阻挡层,O

2

和H

2

O 阻挡

层, Al与P3HT：PCBM 之间反应阻挡层等[ 2] , 除了应用于太阳能电池, 在燃料电池以及其

他蓄电池如锂离子电池等产品中也有广泛应用, 下面分别举例进行简要概述。

2.纳米TiO2的制备方法

2.1纳米TiO2粉体的制备方法

目前, 制备纳米TiO

2

粉体的方法有很多, 按照所需粉体的形状、结构、尺寸、晶型、用途选用不同的制备方法[ 4]。根据粉体制备原理的不同, 这些方法可分为物理法、化学法和综合法。无论采用何种方法, 制备的纳米粉体都应满足以下条件: 表面光洁; 粒子的形状及粒径、粒度分布可控; 粒子不易团聚; 易于收集; 热稳定性好; 产率高。

物理法[ 3]是最早采用的纳米材料制备方法, 其方法是采用高能消耗的方式,“强制”材料“细化”得到纳米材料。物理法的优点是产品纯度高。常用的方法：气相蒸发沉积法、蒸发—凝聚发。另外还有化学法[ 3]：液相化学反应法（溶胶—凝胶法、沉淀法、微乳液法等）、气象化学反应法（气相水解法、热解法）、综合法（激光CVD法、等离子CVD法）。

2.2纳米TiO2膜的制备方法

以溶胶凝胶为基础的涂层法、金属有机化学气相沉积法、阴极电沉积法[ 5]、阴极真空喷镀法、液相沉积法、粘结剂法。

2.3纳米TiO2块材的制备方法

凝胶直接成形制备纳米TiO

2

块体陶瓷。[ 6]其特点是粉体制备与成形过程一气呵成, 省略了湿法制粉的干燥工序, 从而有效地减少了团聚形成的可能, 所得坯体具有更好的结构均匀性, 有利于在低温下烧结纳米陶瓷。其过程为: 先将异丙醇钛的纯溶液在25℃水解, 通

过滴加HNO

3

调节pH 值进行解胶; 其后将所获得的氧化钛溶胶在温度为40℃、相对湿度为60% 的条件下干燥, 获得氧化钛凝胶。进一步在不同温度下煅烧, 最后获得纳米陶瓷。2.4纳米TiO2应用于太阳能电池的背景

纳米TiO

2

被广泛应用于牙膏、防晒霜以及其他日用消费品, 但其年使用量不过36.4 万

kg, 而纳米TiO

作为DSSCs（dye-sensitized solar cells, 染料敏化太阳电池）[19]的关2

键材料之一, 每年全球消费量超过4.5 亿kg , 从OPV（organic photovoltaic solar cells,

有机太阳能电池）和DSSCs 未来需求量的变化趋势可折射出对于纳米TiO

需求量的变化趋

2

势, 在未来5年依然是需求持续增长[ 2], 只不过增长幅度会逐年减慢而已。这种变化趋势

与当前倡导的低碳经济、保护环境的议题密切相关, 因为太阳能是一种用之不竭的环境友

好型洁净能源。

传统的太阳能电池将光能转换为电能是依靠如晶体硅等半导体材料来实现光伏效应。

虽然有效,但是这种利用太阳能的方法成本高, 为了减少对足够数量硅的依赖性、降低组

装成本、改进面板刚性等,“第三代技术”应运而生, 其主要包括有机技术、纳米技术和

球形技术。

开发OPV 研究始于20世纪70年代。OPV 与单晶硅太阳能电池相比较, 成本大大降低, 因

此被认为是一种低成本有效利用太阳能的理想选择。这项技术本身目前尚处在发展的过程

之中, 但是显示出低成本、易加工, 应用和制造工艺的多样性、灵活性和功能性是有机技

术的明显优势。而转化效率低、太阳能电池的耐久性差( 使用寿命短) 是其明显弱势。3.纳米TiO2在太阳能电池中的应用

3.1.纳米TiO2在OPV 中的应用

OPV 按照结构可分为单层OPV(见图2a)、双层

OPV(见图2b)和多层OPV[ 8]。单层OPV 是由透明电极/有

机光敏半导体/电极组成。1994年R.N.Marks [ 2]等人就

制成了这类电池。他们是在ITO和低工作功能阳极之间

夹了一层50—320 nm的PPV( poly(p-phenylene

vinylene) 有机光敏半导体材料, 该装置的量子效率

为0.1%, 能量密度为0.1mW/cm2。

由于双层OPV 电池较单层OPV 电池多了一层电子

受体, 能够使产生的光电子e-尽快转移, 避免了e-与

电子空穴h+重新结合, 使双层OPV 电池的量子效率提

高了10倍, 达到1%。从多方面的研究结果可以看出, 人

们对光敏染料太阳能电池和聚合物太阳能电池的热衷

情怀,从来没有因为其转化率低而有所改变, 相反随着