纳米 TiO2 光阳极材料的共掺杂 及光电化学性质的研究

报告人：高雅指导教师：孟舒献 副教授时间： 2012,07,13

概 要概 要

论文的背景及研究意义1

国内外研究进展2

论文研究内容3

实验进度安排4

1. 论文的背景与研究意义1. 论文的背景与研究意义

太阳能电池提出的时代背景

能源危机 环境问题

只要将地球 0.1% 的表面用转化效率 10% 的太阳能电池覆盖就能满足能量需求。

1.1 太阳能电池简介1.1 太阳能电池简介技术分代

电池类型 转换效率（ % ） 待解决问题

第一代单晶硅太阳能电池 16~18 工艺复杂，需降低过高的成本

多晶硅太阳能电池 12~14晶格缺陷和晶粒错位阻碍了光电效率

的提高

第二代

非晶硅太阳能电池 6~8 降低成本提高稳定性

铜铟镓锡11

铟的储量稀少 , 不足以支撑大规模生产

碲化镉 9 原料镉有剧毒 , 碲储量比白金还稀少

第三代

有机太阳能电池 6~7 提高稳定性 , 电池寿命和转换效率

染料敏化太阳能电池 5~12 提高转换效率和稳定性

1.2 染料敏化太阳能电池工作原理1.2 染料敏化太阳能电池工作原理

。

2 国内外研究进展2.1 TiO2 改性方法2 国内外研究进展2.1 TiO2 改性方法

适合的元素或化合物进行适量的掺杂后可以显著增加电池的光电

转换效率。

改善纳米 TiO2

多孔薄膜的微观结构；活化 TiO2 表面，增大表面粗糙度；但改性效果表征至今仍不完善

表面修饰 复合结构光阳极 离子掺杂

在多孔 TiO2 薄膜表面利用半导体介质形成能垒，但是工艺操作复杂

2.2 掺杂改性2.2 掺杂改性

掺杂改性掺杂改性

金属掺杂金属掺杂

非金属非金属掺杂掺杂

共掺杂共掺杂

常见的非金属离子掺杂主要有 N S P C B等

金属离子的种类主要包括稀土金属离子和过渡金属离子

2.3 目前国内外研究进展2.3.1 单一非金属元素的掺杂2.3 目前国内外研究进展2.3.1 单一非金属元素的掺杂

参考文献： [1] Tingli Ma etal. Highly efficient dye-sensitized solar cells based on nitrogen-doped titania

with excellent stability[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 2011.219 ：180–187

参考文献 :[2] H. Hafeza etal,Down-converting lanthanide doped TiO2 photoelectrodes for efficiency enhancement of dye-sensitized solar cells [J].Journal of Power Sources ,2011 ,196： 5792–5796

2.3.2 单一金属掺杂

2.2.3 非金属元素共掺杂

参考文献： [3] Shuming Yang etal. Improved efficiency of dye-sensitized solar cells applied with nanostructured N–F doped TiO 2electrode[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2012 ,73: 911–916

2.3.4 金属与非金属共掺杂

参考文献： [4] Jingchang Zhang etal, Study on the Performance of Zn,N/TiO2 Anode Film and Co-Sensitization in DSSC [J]. Inorg Organomet Polym ,2011, 21:43–49

参考文献： [5] 孙涛等， N、 Fe 共掺杂纳米 TiO2 的制备和性能 [J]. 材料研究学报 ,2012,26(2):156-162

2.3.5 N-Fe 共掺杂

3 论文研究内容

共掺杂

3 论文研究内容

共掺杂掺杂方法 干法： N2/NH3 法 湿法：溶胶—凝胶法，水热法掺杂元素 非金属元素： N、 S、 F 金属元素 ：Fe、 Ag、 Co、 Nb、 La表征方法 XRD , EDS , SEM , UV-vis ,IPCE 等

3.1 近期工作

实验方案 1

3.1 近期工作

实验方案 1

TiCl44mL

+ HClPH=1 PH=7.5

rt,50% NH3.H2O

白色胶状沉淀搅拌2h,过滤，洗涤 1 加入250mL去离子水

2 2mol/L稀硝酸调PH=2

rt,室温2h85℃，2h

半透明胶状物体旋转蒸发，烘干 TiO2粉末

rt,过量三乙胺

静置，旋蒸，烘干

400℃，焙烧2hN/TiO2粉末 未煅烧N/TiO2粉末

+硝酸铁溶液

剧烈搅拌

N,Fe/TiO2粉末

离心分离 400℃，焙烧2h

样品 1 N-Fe 掺杂能谱图 样品 1 N-Fe 掺杂能谱图

• Element Element Wt.% Atom %• N K 0.00 0.00• O K 37.50 64.46• Ti K 58.38 33.52• Fe K 4.12 2.03• Total 100.00 100.00

 Element Element Wt.% Atom %N K 22.34 28.20O K 36.39 40.21P K 0.28 0.16Ti K 23.28 8.59Fe K 2.78 0.88

样品 2 N-Fe 掺杂能谱图样品 2 N-Fe 掺杂能谱图

实验方案 2实验方案 2

考虑到实验结果的不稳定性可能跟实验方法有关，我同时采用了另一种方案进行掺杂；试图通过 4 个样品：纯 TiO2 、 N 掺杂 TiO2 、 Fe 掺杂 TiO2

及 N-Fe 共掺杂 TiO2 来构成一组平行实验来考察掺杂效果

考虑到实验结果的不稳定性可能跟实验方法有关，我同时采用了另一种方案进行掺杂；试图通过 4 个样品：纯 TiO2 、 N 掺杂 TiO2 、 Fe 掺杂 TiO2

及 N-Fe 共掺杂 TiO2 来构成一组平行实验来考察掺杂效果

10mL钛酸丁酯+10mL乙酸+50mL无水乙醇A

缓慢滴加

室温，24h 80℃干燥 500℃煅烧3h 球磨4h 旋蒸 涂片 烧片 TiCl4处理

二次煅烧 泡染料 测光电转换效率

空白（样品1）0.1g尿素（样品2） +5mL乙酸+25mL蒸馏水+25mL乙醇0.1g Fe(NO3)3（样品3）0.1g尿素+0.1g Fe(NO3)3（样品4) B

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

5

10

phot

ocuu

rent

/mA

/cm

2

photovoltage/V

N/TiO2

纯TiO2

Fe/TiO2

N-Fe/TiO2

掺杂 Fe 的量 /g

短路电流密度 / mA/m2 开路电压 /V

最大功率电流 / mA/m2

最大功率电压 /V

填充因子 / %

转化效率 / %

0.01 3.54 0.82 3.42 0.69 81.26 2.36

0.05 4.24 0.82 4.44 0.69 87.80 3.04

0.1 2.10 0.81 2.19 0.71 90.28 1.54

0.15 0.49 0.79 0.49 0.70 87.99 0.34

0.2 0.37 0.79 0.37 0.69 86.03 0.26

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

5ph

otoc

urre

ent/

mA

/m2

photovoltage/V

0.05g 0.01g 0.15g 0.2g 0.1g

3.2 实验存在问题与解决办法3.2 实验存在问题与解决办法

• 实验存在的问题：1 掺杂后效率没有提高反而降低；2 光电压没有改变，光电流存在很大程度降低；

• 解决办法： 1 用应用在光阳极的方法来制备 N/TiO2

2 尝试用其他铁源以其他方式掺入 N/TiO2 来制备 Fe-N/TiO2

4 实验进度安排4 实验进度安排

• 2012年 5月 -7月 : 阅读文献 , 熟悉实验流程 , 制定实验方案；

• 2012年 8月 -2012年 12月 : 探讨非金属元素跟过渡金属元素掺杂

• 2013年 1月 -2013年 7月 : 探讨非金属元素与稀土金属元素共掺杂，以期获得较高的转化效率；

• 2013年 8月 -2014年 1月 : 探讨非金属元素共掺杂；

• 2014年 2月 -2014年 5 月：探讨与卟啉类染料敏化剂的测试系统，优化测试条件；

• 2014年 5月 -6月 :整理数据 ,撰写论文 , 完成答辩 .