● 摘要
染料敏化太阳电池(DSC)是一种新型光电化学太阳能电池，由于它制作工艺简单、成本低和性能稳定，并且对环境无污染，具有良好的开发前景。它是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。二氧化钛(TiO2)是一种n型半导体，禁带宽度为Eg=3.2 eV，具有很多独特物理和化学性质的功能材料，在光催化、环保和高效太阳电池等诸多领域有很重要的应用。尤其是TiO2在光伏电池方面有着广阔的应用前景，引起人们的极大兴趣。TiO2纳米棒同纳米线/管一样是一维纳米材料，同零维纳米粒子相比一维纳米材料具有大的比表面积，为电子的快速迁移提供了天然的通道，使得电子传导性能增强，因此，在DSC方面有着广泛应用。近年来，许多科学家在TiO2纳米棒阵列的制备与应用基础研究方面做了大量的工作。
水热法是在高压釜里的高温、高压反应，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。水热技术具有两个特点，一是其相对低的温度；二是在封闭容器中进行，避免了组分挥发。本论文利用水热法以钛酸丁酯（TNBT）为钛源在空的和具有织构缓冲层的透明导电氧化物（TCO）上分别制备TiO2纳米棒阵列，应用X射线粉末衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM）对其进行分析表征，并以此为光阳极组装DSC与光电性能的测试研究。具体研究内容如下：
(1)利用水热法成功制备TiO2纳米棒阵列。以TNBT、浓盐酸、去离子水、氯化钠为原料，在TCO上制备TiO2纳米棒阵列，并研究了反应条件对TiO2纳米棒阵列形貌和结构的影响。实验结果表明，在150 ℃、15 h的反应条件下，可以得到较好的TiO2纳米棒阵列。这样不仅提供了有效的电子传输通道，而且能在一定程度上增大对光子的吸收和利用，从而提高电池的光电转换效率。测试结果表明，开路电压（Voc）和短路电流（Isc）分别为1.60 mA/cm2和0.67 V。
(2)在TCO和TiO2纳米棒阵列之间织构缓冲层的设计，并且探究了其作为光阳极对DSC性能的影响。该织构缓冲层是由聚苯乙烯（PS）小球和TiO2种层组成的经过高温烧结形成的TiO2球壳状缓冲层，目的是为了提高TiO2纳米棒阵列底端的粗糙度，增大对入射光的散射吸收，同时增强电池敏化过程中染料吸附，进而提高对入射光的利用，提升DSC光电性能。该层制作时主要受烧结温度、升温速率及保温时间的影响，过高的温度会导致球壳结构的破裂，较快的升温速率可能会使织构缓冲层裂开，时间主要对织构缓冲层的整体形貌及晶型影响较大，总之，合理的温度和时间对织构缓冲层的设计至关重要，这里我们采用1 ℃/min，450 ℃煅烧可以形成好的球壳结构，对后续工作建立良好基础。为了更好的说明该织构缓冲层的作用，我们也设计了仅用TiO2种层作为单一缓冲层。实验测试结果表明，在TiO2织构缓冲层的存在下，DSC的Voc和Isc分别得到不同程度的提高，大约为3.87 mA/cm2和0.86 V,而在单一TiO2缓冲层作用下，Voc和Isc分别仅有2.35 mA/cm2和0.71 V,再加上对前面无缓冲层TiO2纳米棒阵列电池性能的比较，可以看出TiO2织构缓冲层能有效提高底端粗糙度，增大染料负载，从而提高入射光的利用率，达到提升DSC的Voc和Isc的目的。并且进一步研究了不同直径PS球形成的TiO2织构缓冲层对电池电流电压（I-V）特性曲线的影响，得到最佳PS球直径条件下制备的织构缓冲层，以最大限度提高底端粗糙度。最后，对分别具有TiO2单一缓冲层和织构缓冲层的TCO进行透射光谱测试比较，结果发现设计有织构缓冲层的TCO对入射光的透过率明显增大，即实现高效利用入射光的目的。总之，该织构缓冲层的介入对TiO2纳米棒阵列组装的DSC光电性能有一定程度的提升。