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摘 要

染料敏化太阳能电池是一种成本低、工艺简单、光电转化效率高的新型光化学太阳能电池，具有很好的应用前景。TiO₂核壳微球的这种结构具有良好的光散射能力, 而二维石墨烯具有优异的电子传输和导电性能，所以Ti0₂核壳微球掺杂石墨烯作为光阳极不仅能提高光阳极对光的散射能力，还能有效提高光生电子的传输，本论文的主要研究内容是分别以TiO₂核壳微球掺杂石墨烯和TiO₂核壳微球分别作为光阳极，制作染料敏化电池。电池性能表明相比于核壳TiO₂微球，核壳TiO₂微球掺杂石墨烯作为光阳极，在不损失电压的情况下能够提高电池的电流，使电池效率达到6.35%，大约提高了24.5%。

关键词：染料敏化电池 石墨烯 核壳TiO₂ 光散射

Graphene-doped core-shell TiO₂ microsphere as photoanode and their application in dye-sensitized solar cells

ABSTRACT

Dye-sensitized solar cell (DSSC) is a new type of photochemistry solar cell with low cost, simple preparation procedure and high light-electron conversion efficiency, which has very bright application prospect. Core-shell TiO₂ microspheres has the good ability of light scattering. While two dimensional graphene has excellent electronic transmission and electrical conductivity, Therefore, the graphene-doped core-shell TiO₂ microspheres have advantanges both in increasing the ability of light scattering and improving the tansportion of photogenerate electron effectively. The main contents of this paper as follows: graphene doped core-shell TiO₂ microspheres and core-shell TiO₂ microspheres as photoanodes were prepared respectively. The performance measurement of the DSSCs showed that incorporation of graphene could increase the short-circuit current density without sacrificing the open-circuit voltage, and the total conversion efficiency was 6.35%, which was increased by 24.5% compared with the core-shell TiO₂ microspheres without graphene.

Keywords: DSSCs; graphene; core-shell TiO_2; light scattering

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 前言 1

1.1引言 1

1.2 染料敏化太阳能电池概述 1

1.2.1染料敏化太阳能电池的研究历程 1

1.2.2染料敏化太阳能电池的结构 2

1.2.3染料敏化太阳能电池的工作原理 4

1.2.4 染料敏化太阳能电池的性能评价指标 6

1.3 TiO₂概述 7

1.3.1 TiO₂的简介 7

1.3.2 TiO₂的制备^[11] 8

1.3.3 TiO₂核壳微球的简介^[12] 8

1.4 石墨烯概述 9

1.5 论文的选题和研究内容 9

第二章 石墨烯掺杂核壳TiO₂微球作为光阳极在染料敏化太阳能电池中的应用 11

2.1 实验药品和试剂 11

2.2 仪器设备 11

2.3 制作TiO₂掺杂石墨烯电极 12

2.3.1氧化石墨烯的制备 12

2.3.2石墨烯的制备 12

2.3.3 TiO₂的制备 12

2.3.4 TiO₂/石墨烯的制备 13

2.3.5 DSSC的制备 13

2.4 实验结果与分析 14

2.4.1石墨、氧化石墨烯和石墨烯的XRD分析 14

2.4.2核壳TiO₂/石墨烯复合结构形貌分析 15

2.4.3 DSSC光电性能分析 16

2.4.4染料吸附量测试与分析 18

2.4.5紫外可见光漫反射分析 19

2.4.6电化学阻抗分析 20

第三章 结论 22

参考文献 23

致 谢 26

第一章 前言

1.1引言

当今世界，能源和环境是人类最关心的两个主题，随着经济的发展，人类社会对能源的需求不断增加，传统的能源如石油、煤炭、天然气等逐渐面临枯竭，并且这些资源在使用过程中产生了大量的废物，这对环境造成了极大的污染。环保清洁能源的发展和壮大已成为人们所迫切需要去做的。能源是整个世界科技发展和经济增长的最基本的驱动力，它是工业经济的命脉。

基于当前能源和环境的严峻形势，极需要发展可再生能源，改变现有能源的分配格局。目前，风能、水能、太阳能、核能等可再生能源己经在开始被开发利用。而其中的太阳能是世界上最丰富的永久能源，它的使用相对方便、安全，没有潜在的危险，而且还是清洁能源，不会产生任何的环境污染，此外它对地理条件的依赖程度轻，有太阳照射到的地方就有能利用的太阳能，不存在能源运输问题，因此太阳能是解决能源问题的理想资源。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电被称为太阳能热发电；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又被称为太阳能光伏技术。而将太阳能直接转换成电能的技术就是太阳能电池，所以它的研究与开发，早已被世界各国政府所高度重视。

1.2 染料敏化太阳能电池概述

1.2.1染料敏化太阳能电池的研究历程

1837年，Vogel发现用染料处理过的卤化银颗粒的光谱响应从460 nm拓展到了红外光范围，这一研究奠定了所谓“全色”胶卷的基础，是关于有机染料敏化半导体的最早报道。1839年，Becquerel发现把两个相同的涂敷卤化银颗粒的金属电极浸在稀酸溶液中，当光照一个电极是会产生光电流，于是首先意识到光电转换的可能性。

1887年，Moser在赤鲜红染料敏化卤化银电极上观察到了光电流响应现象，并且将染料敏化的概念引入到光电响应中。Gerischer^[1]等采用玫瑰红、荧光素及罗丹明B敏化单晶Zn0电极，发现敏化电极光电流谱和染料吸收光谱在外形上是基本一致的。此后，科学家们根据光诱导下有机染料与半导体间的电荷转移反应现象，提出染料敏化半导体在一定条件下产生电流的机理，这成为了光电化学池的重要基础。

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