特殊微纳结构TiO2材料的制备及其光电性能研究文献综述

开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）

1.实验背景

能源与环境的可持续发展是当今世界人类社会的两个重要发展战略。随着全球经济的发展,人们对能源的需求正在不断增长,新能源的发展势在必行。太阳能源源不断的辐照地面,且清洁无任何污染,因而成为最具开发潜力的新能源之一。染料敏化太阳能电池(DSCs)是一种有效利用太阳能的光电器件,它制作工艺简单、成本低廉、性能稳定、对环境无污染,因而具有良好的发展前景。

通常主要通过水热法来制得所需的二氧化钛纳米晶，然后让它与适量松油醇、乙基纤维素混合后制成二氧化钛浆料，通过丝网印刷法或者刮涂法在导电玻璃上旋涂然后烧结，最后通过让光敏材料吸附在高比表面的二氧化钛半导体上，使二氧化钛半导体表面敏化从而得到光阳极。

染料敏化太阳能电池由导电基底、宽禁带半导体纳米晶颗粒构成的复杂纳米结构光阳极、光敏化染料、氧化还原电解质和对电极组成。

导电基底:染料敏化太阳能电池使用的导电基底,是在玻璃上镀有一层透明导电层(TCO)。为使电池具有较高的效率,基底材料的透明度要好,而且电阻要小。氧化铟锡(ITO)是最常见的导电材料,它在室温的电阻很低,但在高温烧结中电阻极剧变大。

光阳极:最常用的是纳米晶TiO2多孔膜,其他的氧化物如ZnO、Sn0₂、Nb₂O₅、Al₂O₃等也被广泛研宄。TiO₂属于宽禁带半导体(禁带宽度为3.2eV),不能吸收可见光,因此需要借助染料将其吸收谱扩展到可见光区域。纳米晶半导体多孔膜起到了吸附染料、分离电荷及传输光生载流子的功能。

光敏化染料:是染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分。它的作用是吸收太阳光,染料受激由基态跃升到激发态,激发态的电子不稳定就会快速转移到半导体的导带上。

光敏染料必须具备几个基本条件:(1)光吸收范围谱较宽,尽可能多的吸收太阳辖射能;(2)附着性良好,能紧密地吸附在半导体表面;(3)与半导体的能带相匹配,从而保证激发态电子能够有效注入半导体;(4)具有长期稳定性,能经得起10⁸次激发-氧化-还原循环,寿命20年以上。常见的敏化染料分为钌配合物敏化剂、有机染料敏化剂以及半导体量子点敏化剂三类。

电解质:氧化还原反应对于整个染料敏化太阳电池的稳定性起着至关重要的影响,因为它主要功能是复原染料和传输电荷。当染料在吸收光子而释放电子后,电解质必须尽快的提供电子,来将处于氧化态的染料还原至中性态。因此,电解质的选择,必须要考虑到与染料分子能级的匹配,其氧化还原的电势及反应的可逆性以及对可见光的吸收较小。此外,与电解质搭配的有机溶剂,必须要允许电子在其中能快速扩散。目前广泛使用的是液体电解质,由氧化还原I₃^-/I^-电对、有机溶剂以及添加剂组成。与氧化还原I₃^-/I^-电对,它们的电化学电势非常适合将处于氧化态的染料重新还原。但是,I₃^-/I^-的浓度比例必须最佳化,才能达到理想化的整体效率。电解质的选择一般有碘化锂(LiI)、碘化钠(NaI)、碘化钾(KI)、I₂等。一般电解质都要搭配不含蛋白质的高极性有机溶剂一起使用,其中可选择的有机溶剂包括乙腈、乙二醇、丙腈、甲氧基乙腈等。