题目：包覆Al2O3的FTO@TiO2光阳极材料在染料敏化太阳电池中的应用研究

      能源的日益枯竭成为了全世界人类生存所需解决的共同难题，与此同时大量化石能源的燃烧严重地污染了人类耐以生存的环境，已经威胁到全人类的可持续发展。利用清洁无污染、储量丰富的太阳能是解决能源短缺和环境污染问题的关键。染料敏化太阳电池（DSSC）由于其安全无害、成本低廉、易于制造等优势，被认为是将太阳能大范围转换为电能的有力竞争者。而DSSC中最重要的组成部分光阳极的组成和结构对染敏电池的光电转化效率和稳定性造成了最直接的影响。但在目前研究工作中，DSSC离其理论光电转换效率还有很远的距离，存在不少问题亟待解决。例如TiO2薄膜中的注入电子的迁移速率较低，且注入的电子易与氧化还原电解质中的I3-或染料阳离子复合等。这些都制约着DSSC光电性能的进一步提高。

      本文从进一步加快光阳极中的电子传输速率、提高电子收集效率和减少电子复合方面出发，采用FTO@TiO2膜替代常用的TiO2纳米膜。通过FTO/TiO2界面的电子漂移机制加快电子的传输和收集效率。同时为了抑制电子复合，在FTO@TiO2膜的外表面包覆一层Al2O3阻挡层，由于Al2O3层的厚度对DSSC的光电性能影响很大，因此通过研究确定Al2O3最佳的包覆层数，以实现DSSC光电效率的最大提升。主要研究内容和研究结果如下：

      （1）采用sol-gel法合成FTO纳米颗粒。通过调节合成步骤中加入HF的量改变产物FTO粉末中的掺F量，制得0.15 FTO、0.3 FTO和0.6 FTO三类FTO纳米粉末。通过XRD、EDS、TEM和紫外可见吸收光谱其进行表征测试，了解FTO纳米颗粒的晶型、组成、颗粒大小、形貌以及能带间隙等方面的性质。

      （2）将FTO颗粒、PVDF黏合剂和N-甲基吡咯烷酮按一定的配比球磨得到FTO浆料，铺成0.36 cm2的膜，450 °C烧结30 min，获得0.15 FTO、0.3 FTO和0.6 FTO三类FTO纳米薄膜。将FTO薄膜进行TiCl4处理，形成0.15 F-T、0.3 F-T和0.6 F-T薄膜，用作染敏电池的光阳极膜。比较这三类染敏电池的光电效率，发现0.3 F-T染敏电池具有最高的电池效率6.13%，这与F的掺杂量有密切关系。F的掺杂量越高，FTO能带间隙越大，费米能级相应越高，Voc也就越大，同时FTO的导电率越高，电子提取效率也越高。但是电子注入效率因为费米能级的提高反而降低，所以0.3 F-T而不是0.6 F-T有最高的光电效率。同时，从TiO2层到FTO膜的有效的电子提取也为电池的高效率做了贡献。

      （3）在0.3 F-T（简称F-T）DSSC有最高光电效率的基础上，为了进一步抑制电子复合，减少光生电子的回传，对F-T光阳极膜进行包覆，采用sol-gel法在F-T膜外形成Al2O3阻滞层。由于Al2O3层既能抑制电子复合，同时，也能降低电子注入效率，因此存在一个最佳的膜厚。通过比较F-T-A、F-T-2A、F-T-3A染敏电池的光电效率，发现包覆两层Al2O3层的F-T-2A拥有最高的电池效率6.89%，结合暗电流曲线和EIS测试，说明包覆两层形成的大约2 nm厚的Al2O3层使电子复合和电子注入达到了完美的平衡，拥有适中的电子复合电阻和最小的电子传输电阻。