● 摘要
自从1991年Grätzel教授将纳米多孔的概念引入染料敏化宽禁带TiO2半导体研究中，并且在光电转化效率取得突破以来，染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cells)以其结构简单、成本低廉、易于制造等优点赢得了学者们的广泛关注。纳米多孔半导体薄膜构成的光阳极是染料敏化太阳电池的核心组件，起到吸附染料、传输电子、为染料的快速再生提供条件等作用，目前用作光阳极材料的有ZnO、SnO2、Nb2O5、In2O3、Al2O3以及TiO2等。其中TiO2由于资源丰富、安全无毒、化学性质稳定、合适的禁带宽度、优越的光电和介电效应成为染料敏化太阳电池的研究热点。
本文从如何提高入射光利用效率的思想出发，采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)在FTO导电玻璃基底上制备了透明TiO2薄膜，以聚苯乙烯微球为模板，在薄膜上合成TiO2壳层，对制备的电极所组成的电池的性能进行了详细的研究。本文的研究内容及主要研究结果如下：
(1) 采用以苯乙烯为单体、水为分散介质和过硫酸铵为引发剂的无皂乳液聚合法制备单分散、尺寸均匀的聚苯乙烯(PS)微球。通过改变过硫酸铵引发剂的用量，制备出不同粒径大小的PS微球。研究发现微球的粒径随着引发剂用量的增加而不断减少。
(2) 在气-液界面将单分散的聚苯乙烯微球自组装成胶体晶体，以该胶体晶体为模板制备TiO2壳结构。研究了有机金属前驱物溶液的配制、制备方法、提拉次数等实验条件对TiO2壳结构的影响，得出制备有序TiO2壳结构的最佳实验条件。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪对样品进行结构表征。结果表明：TiO2壳结构的粒径与聚苯乙烯微球粒径的大小基本一致，收缩现象不明显。TiO2壳具有锐钛矿结构。
(3) 采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法在FTO导电玻璃基底上制备纳米晶TiO2薄膜电极，从TEM图看到，TiO2尺寸分布均匀，粒径分布在10～20 nm之间，灼烧后的TiO2薄膜为锐钛矿型结构。以TiO2薄膜作为染料敏化太阳电池光阳极吸附N719乙醇溶液，采用PROVA 200太阳电池分析仪在模拟标准太阳光下（AM1.5 100mW•cm-2）测定I-V曲线，测试分析结果发现光电转化效率较低。这是由于透明的TiO2膜不能充分提高入射光的利用效率。通过采用以单层聚苯乙烯微球为模板法合成的TiO2壳结构，当与传统的纳晶TiO2薄膜结合在一起时，短路电流和光电转化效率都得到了提高，其原因是由于这种特殊的壳状结构，能够减少入射光的损失，增加了太阳光在染料敏化电池光阳极的传播路径。