《粉末结构控制对真空冷喷涂法制备的DSC输出特性的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《粉末结构控制对真空冷喷涂法制备的DSC输出特性的影响（2页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2 0 0 6 年全国太阳能光化学与光催化学术会议专辑 粉末结构控制对真空冷喷涂法制备的D S C 输出特性的影响 杨冠军h ，范圣强，李长久1 ，郗英欣2 ，张凌紫2 ，刘广剑1 ( 1 西安交通大学，金属材料强度国家重点实验室，西安，7 1 0 0 4 9 2 西安交通大学，理学院应用化学系，西安，7 1 0 0 4 9 ) 摘要：分别使用纳米T i 0 2 粉末和有机物团聚纳米结构T i 0 2 粉末，采用真空冷喷涂法制 备了两种纳晶T i 0 2 多孔膜电极，并以此组装染料敏化太阳电池。结果显示，直接使用 纳米T i 0 2 粉末所制备的多孔膜的孔隙率5 4 ，平均孔径2 6 n m
2、，模拟太阳光A M l 5 下， 相应电极组成的染料敏化太阳电池的短路电流8 4 m A c m 2 ，光电转化效率2 6 ，接近 机械压膜低温制膜法。而使用4 0 聚乙二醇团聚纳米T i 0 2 粉末所制备的多孔膜经4 5 0 热处理，后孔隙率5 9 ，平均孔径2 9 n m ，电池的短路电流1 7 m A c m 2 ，光电转化效率6 5 。表明真空冷喷涂法既是一种有希望的低温制膜方法，也是一种较好的常规制膜方法。 1 引言 G r l i t z e l 等提出的新型染料敏化太阳电池( D S C ) 的光电极一般采用纳晶T i 0 2 多孔薄 膜。其常规制备方法是先通过刮涂、丝网印刷、
3、旋涂或模板沉积等技术将T i 0 2 浆体涂 敷在导电玻璃上，再经过高温烧结( 4 0 0 - - - - 5 5 0 。C ) 去除有机残留物并增强T i 0 2 颗粒的接 触。 近年来，我们实验室利用空气动力学原理研制了真空冷喷涂( V a c u u mC o l dS p r a y , v c s ) 系统，能够在室温下将微纳米陶瓷颗粒在喷枪中经气流加速后直接沉积在金属、 玻璃、陶瓷和塑料等固态基底上形成涂层，并已经成功地制备了S i C 和A 1 2 0 3 陶瓷涂层。 采用真空冷喷涂法制备纳晶T i 0 2 多孔膜电极，不仅可望使用微纳米粒径的有机物团聚 纳米T i 0 2 粉末
4、，并通过热处理除去有机物，制备高孔隙率的T i 0 2 多孔膜电极，而且可 望直接使用干燥的T i 0 2 纳米粉末，避免有机物表面活性剂的使用，使低温制备成为可 能。本论文分别采用纳米T i 0 2 粉末和有机物团聚型纳米T i 0 2 粉末，利用真空冷喷涂法 制备了两种纳晶T i 0 2 多孔薄膜，使用比表面分析( B E T ) 研究薄膜的孔隙结构，并以此为 电极探讨其染料敏化太阳电池的性能。 2 实验 2 1 有机物团聚纳米T i 0 2 粉末的制备 采用T i 0 2 ( P 2 5 ，D e g u s s a ) 粉末和一定量的聚乙二醇( P E G ) 乙醇溶液通过在乙醇中超
5、声分散后旋转蒸发、研磨、气流悬浮得到0 2 一l p m 团聚粉末。 2 2 真空冷喷涂系统及纳晶T i 0 2 多孔薄膜电极的制备 纳晶T i 0 2 多孔薄膜采用自行研制的真空冷喷涂系统来制备。真空冷喷涂系统包括气流 加速单元、送粉器、真空沉积室、二维工作台和程序控制单元。实验中，分别采用P 2 5 T i 0 2 和聚乙二醇团聚T i 0 2 粉末为进料、H e 气作为加速气( 1 M P a ，2 L m i n ) ，T C O 导电玻 璃( T E C 1 5 ) 为基底，真空沉积室压力0 2 k P a ，控制喷枪移动速度和喷涂次数沉积一定厚 度的T i 0 2 膜。薄膜的孔隙结
6、构用B E T ( C o u l t e rS A3 1 0 0p l u s ，B e c k m a nC o u l t e r ) 表征。 P 2 5 喷涂薄膜在1 2 0 经1 0 m i n 烘干后浸泡在3 0 m M 的N 7 1 9 染料( S o l a r o n i x ) 的乙 醇溶液中2 4 h ，并浸入0 3 M4 t B P 的乙腈溶液中吸附4 5 m i n ，取出后乙醇冲洗干净，作 为电池阳极。团聚粉末T i 0 2 膜在4 5 0 经3 0 m i n 热处理后T I C l 4 后处理再吸附染料。 2 2 染料敏化太阳电池的组装和性能测试 将上述阳极与P
7、 t 对极通过一个4 0 1 a m 厚的塑料隔片组装成“三明治”式D S C 电池， 中间填充0 4 M L i I O 0 4 M 1 2 的乙腈电解质溶液。采用C H F 5 0 0 w 0 L 京创托) 氙灯光源模拟 2 0 0 6 年全国太阳能光化学与光催化学术会议专辑 太阳光( A M l 5 ，1 0 0 m W c m 2 ) ，1 0 0 0 f 2 可变电阻作负载，测试电池的电流一电压曲线。 3 结果与讨论 图l 为真空冷喷涂T i 0 2 膜的染料敏化太阳电池输出特性曲线。图l aD S C 电池采用 P 2 5 纳米T i 0 2 粉末直接真空冷喷涂T i 0 2 膜(
8、 膜厚1 0 1 a m ) ，模拟太阳光A M l 5 时，电池的 短路电流为8 4 m A c m 2 。光电转化效率达2 6 ，接近L i n d s t r o m 等采用的机械压膜法 D S C 。与机械压膜法D S C 类似，真空冷喷涂法D S C 电池的填充因子较低，约为0 4 9 ， 这说明这种D S C 电池具有较大的内阻，L i n d s t r o m 等将其归因于导电玻璃基底的电阻， 然而较低的孔隙率导致传质阻力也是不容忽视的。真空冷喷涂与机械压膜法相似的电池 性能是由它们相似的组织结构决定的，真空冷喷涂T i 0 2 膜的孔隙率为5 4 ，B E T 孔径 分布主要
9、集中在4 - 8 0 n m ，平均孔径2 6 n m 这相当于机械压膜法中采用10 0 0 k g c m 2 压力 制备的P 2 5T i 0 2 膜，而与刮涂法制备的T i 0 2 膜差别较大，B a r b e 等报道刮涂法孔隙率 5 9 。真空冷喷涂T i 0 2 膜的B E T 比表面积为5 3 5 m 2 g ，与初始P 2 5 粉末的比表面积 ( 5 5 9 m 2 g ) 相比，未发生显著的变化。总之，纳米T i 0 2 粉末直接真空冷喷涂法能够实现 纳晶T i 0 2 多孔膜的低温制备，膜的结构和性能与机械压膜法相当。 图1 真空冷喷涂T i 0 2 膜的染料敏化太阳电池输
10、出特性曲线，a ) P 2 5 纳米T i 0 2 粉末直接喷涂；b ) 4 0 P E G 团聚粉末喷涂。 图2 b 为4 0 P E G 团聚粉末真空冷喷涂T i 0 2 膜( 膜厚1 5 1 a m ) 的D S C 输出特性，由于 薄膜的热处理过程使电子扩散能力增强，电池性能较好，短路电流达到1 7 m A c m 2 ，光 电转化效率为6 5 。而该薄膜热处理后的孔隙率5 9 ，较纳米T i 0 2 粉末直接真空冷喷 涂T i 0 2 膜的高，传质性能提高，填充因子提高至0 5 8 。与刮涂法相比，该薄膜的孔隙 率大大低于同等P E G 含量刮涂法的薄膜( 孔隙率约7 0 ) ；孔径
11、集中在4 9 0 n m ，平均孔 径2 9 n m ，B E T 比表面积5 7 9 m 2 g ，均匀与刮涂法相当。 4 结论 分别使用纳米T i 0 2 粉末和聚乙二醇团聚纳米T i 0 2 粉末，采用真空冷喷涂法制备了 两种纳晶T i 0 2 多孔膜光电极。结果表明，直接使用纳米T i 0 2 粉末所制备的多孔膜的孔 隙结构和电池性能接近机械压膜法，说明真空冷喷涂法是一种较好的低温制膜方法。使 用4 0 聚乙二醇团聚纳米T i 0 2 粉末所制备的多孔膜热处理后除了孔隙率低外之外，孔 径分布和比表面积均与刮涂法T i 0 2 膜相当，而其电池的性能较好，短路电流达到 1 7 m A c m 2 ，光电转化效率达6 5 ，说明真空冷喷涂法也是一种较好常规制膜方法。 ( 通讯联系人：杨冠军，电话：0 2 9 - 8 2 6 6 5 2 9 9 ；电子邮箱：y g j m a i l x j t u e d u o n ) 产毫i昌一詹篇嚣占-售；u_葺2罨tolI的
