稀土掺杂二氧化钛光阳极的制备与光电性能研究

稀土掺杂二氧化钛光阳极的制备与光电性能研究摘要在染料敏化太阳能电池的研究中，常用N3和N719敏化剂对光阳极敏化。但是，以此敏化的阳电极对可见光区的太阳光吸收利用率较高，却很少利用到紫外光和红外光。而稀土掺杂发光材料，可以通过其转换发光，将吸收利用率低的紫外光转换为染料敏化太阳能电池能够充分利用的可见光，拓宽的光谱响应范围，提高光利用率，从而提高的光电性能。锐钛矿结构的TiO2，具有较高的光催化活性，禁带宽度宽，在染料敏化太阳能电池领域得到了广泛的应用。在DSSC中的电极被敏化剂敏化，但由于染料对太阳光的吸收范围主要在可见光区域（380-660nm），对于能量更高，波长更高的红外光吸收很少，导致其对太阳光的利用率比较低，在一定程度上影响了DSSC的光电转化效率，由于稀土离子能够吸收低能量的长波并发射出相应的短波，即上转换现象，利用稀土离子的上转换发光特性，在二氧化钛纳米粉体中掺杂各种稀土元素并制备稀土掺杂的二氧化钛制作的电极能够利用在DSSC中，将染料不能利用的红外光和类红外光转化成其可利用的光，从而间接拓宽其光谱吸收的范围，提高光的利用率，对提高光电性能具有重大意义。本文以TiO2为发光材料的基质，制备稀土掺杂TiO2纳米粉体，并将其用于染料敏化太阳能电池，制备了光阳极，提高了光电转换效率。取得的主要成果如下：采用溶胶-凝胶法成功制备了锐钛矿结构的Er和Yb掺杂TiO2纳米粉体，制备了Er和Yb掺杂TiO2上转换光阳极，探讨了在溶胶-凝胶法不同煅烧温度下制作的稀土掺杂TiO2所制备的光阳极光电性能的影响。关键词：太阳能电池；稀土掺杂；二氧化钛AbstractInthestudyofdye-sensitizedsolarcells,N3andN719sensitizingagentsarecommonlyusedtosensitizephotoanodes.However,theelectropositiveelectrodesensitizedbythismethodhasahighabsorptionrateofsunlightinthevisibleregion,butseldomUSESultravioletlightandinfraredlight.Rareearthdopedluminescentmaterialscanconvertultravioletlightwithlowabsorptionefficiencyintovisiblelightthatdye-sensitizedsolarcellscanmakefulluseof,broadenthespectrumresponserange,improvethelightutilizationrate,andthusimprovethephotoelectricperformance.AnataseTiO2,withhighphotocatalyticactivityandwidebandgap,hasbeenwidelyusedinthefieldofdye-sensitizedsolarcells.IntheelectrodeintheDSSCissensitizersensitization,butasaresultofdyescopetoabsorbthesun'sraysinthevisibleregion(380-660nm),forhigherenergy,littlehigherinfraredabsorptionwavelengthandleadtoitsutilizationofsunlightislower,toacertainextent,affectedthephotoelectricconversionefficiencyofDSSC,duetothelongwaveofrareearthiontoabsorblowenergyandemitsthecorrespondingshortwave,namelythetransformationphenomenon,usingthetransformationontheluminescencecharacteristicsofrareearthions,dopinginthetitaniumdioxidenanopowderofvariousrareearthelementsandthepreparationofrareearthdopedtio2electrodecanuseintheDSSC,Itisofgreatsignificancetoimprovethephotoelectricperformancetoconverttheinfraredlightandthequasi-infraredlightwhichcannotbeusedbythedyeintothelightwhichcanbeused.Inthispaper,rareearthdopedTiO2nanometerpowderswerepreparedusingTiO2asthesubstrateofluminescentmaterialsandusedindye-sensitizedsolarcellstopreparephotoanodes,whichimprovedthephotoelectricconversionefficiency.Themainachievementsareasfollows:ErandYbdopedTiO2nano-powderwithanatasestructurewassuccessfullypreparedbysol-gelmethod,andErandYbdopedTiO2up-conversionphotoanodewasprepared.TheinfluenceofrareearthdopedTiO2preparedbysol-gelmethodatdifferentcalcinationtemperaturesonthephotoanodephotoelectricpropertieswasdiscussed.Keywords:Dye-sensitizedSolarCell;TiO2;Rare-earthdoped目录17593_WPSOffice_Level1第一章绪论 620403_WPSOffice_Level1第二章相关理论综述 820403_WPSOffice_Level22.1DSSC概况 820403_WPSOffice_Level32.1.1DSSC基本组成和机理 825411_WPSOffice_Level32.1.2导电玻璃基体 922063_WPSOffice_Level32.1.3纳米多孔半导体薄膜 1032453_WPSOffice_Level32.1.4敏化剂 108806_WPSOffice_Level33.1.5电解质 1115111_WPSOffice_Level32.1.6对电极 1125411_WPSOffice_Level22.2DSSC性能表征参数 124993_WPSOffice_Level3表2DSSC性能表征参数 1222063_WPSOffice_Level22.3DSSC光阳极纳米粉体的制备 1232453_WPSOffice_Level22.4稀土元素简介 1423598_WPSOffice_Level32.4.1稀土元素发光性能 148263_WPSOffice_Level32.4.2稀土发光材料的应用 158806_WPSOffice_Level2稀土发光材料的光催化性能 1515111_WPSOffice_Level2稀土发光材料的生物医疗应用 164993_WPSOffice_Level2稀土发光材料用于染料敏化太阳能电池 1725411_WPSOffice_Level1第三章实验部分 1723598_WPSOffice_Level23.1实验仪器和实验药品 1731818_WPSOffice_Level33.1.1实验试剂 1710058_WPSOffice_Level33.1.2实验仪器 188263_WPSOffice_Level23.2稀土掺杂TiO2纳米粉体的制备 18353_WPSOffice_Level33.2.1纳米粉体前驱物的制备 1822856_WPSOffice_Level33.2.2纳米粉体前驱物的煅烧 1930913_WPSOffice_Level33.2.3配置带稀土TiO2印刷浆料 2031818_WPSOffice_Level23.3稀土掺杂TiO2光阳极的制备 2022063_WPSOffice_Level1第四章实验测试及结果分析 2110058_WPSOffice_Level24.1影响产品性能的主要因素 21353_WPSOffice_Level24.2X射线衍射仪(XRD)测试 2222856_WPSOffice_Level24.3场发射扫描电子显微镜分析 2430913_WPSOffice_Level24.4光电性能分析 2432453_WPSOffice_Level1结论 258806_WPSOffice_Level1参考文献 25第一章绪论在工业革命将我们带入全新的能源社会的同时，各种能源消耗也会随之变大，其中大有75%的能源来自于化石能源，伴随人类社会的前行和全球经济的迅猛发展，化石能源将会被逐渐消耗，在燃烧矿物能源时会产生大量的二氧化碳，从而引起的“温室效应”等问题也备受关注。能量来源的问题关系着全球的人类的生存和社会发展，加强对环境的保护和能源的节约，实现绿色经济和利用可持续发展的能源，才是我们人类长远之计。在众多绿色清洁能源之中，风能、太阳能以及水能等资源是可再生、无污染的能源，对它们的开发利用将成为解决能源问题的关键。其中，每年辐射到地球上的太阳能大约3×1024J，为了实现对太阳能的有效利用，开发研究太阳能电池对发展绿色经济，推动可持续发展的蓝图有意义重大。目前使用的太阳能电池主要是硅系太阳能电池。其中包括单晶硅、多晶硅和非晶硅三种硅晶的不同形态。第二种电池以化合物半导体电池为主，包括碲镉化合物（CdTe）和铜铟镓硒化合物（CIS中掺入Ga）等制成薄膜状的太阳能电池。第三种太阳能电池是以无机化合物为主的太阳能电池，叶绿素、酞菁等作为无机化合物电池的基体材料。第四种电池是一种最新被研究的制成薄膜状太阳能电池，即染料敏化太阳能电池(Dye-SensitizedSolarCell，缩写为DSSC)，用带有宽禁带的半导体氧化物为主的材料来制备成他的电极材料，这些半导体氧化物主要是SnO2、TiO2、ZnO等，且电极材料必须用特殊的染料敏化剂敏化处理来制备。众所周知，在多薄膜太阳能电池当中硅系太阳能电池中的转换效率就相对来说比较高，在众多太阳能电池中由单晶硅材料制作的转化效率高达到25%，为目前测得的最大值。硅系太阳能电池虽然有材料来源丰富、电池稳定性较好、寿命长的优点，但其面临的制作工艺复杂、生产成本较高等问题，限制了硅系太阳能电池的全面推广和进一步发展。相对硅系太阳能电池而言，染料敏化太阳能电池（DSSC）的制作工艺过程成本比较低，制作原材料相对丰富，更重要的一点是没有对环境的污染问题，因此，染料敏化太阳能电池（DSSC）受到许多先关的研究机构和人员的青睐。染料敏化太阳能电池最近备受业界的关注是因为人们注意到因其具有很高的应用潜力效率高，生产成本低。太阳能电池效率其光收获效率取决于电荷的量子产额以及电极上的电荷收集效率。由于报道了高效的基于TiO2的DSSC，因此有很多人们已经尝试增强光子与电子间的相互作用这种低成本太阳能电池的版本效率，它已经被证明了可以提高转换效率必须增加二氧化钛层厚度。然而,由于在二氧化钛纳米晶表面缺乏耗尽层，这是一种重要的TiO2层缺陷，厚度的进一步增加导致更高的电子复合，从而进一步提高转化率电子复合过程中，效率受到限制电荷传输过程。在这方面，要加强电子商务光阳极中的电子输运特性，在DSSC，相对于烧结二氧化钛纳米颗粒薄膜，采用稀土掺杂二氧化钛的方法可以提高光电转化效率，提供了更好的替代品。一般来说，纳米二氧化钛材料干法和湿法均可制备纳米棒和纳米颗粒流程。反应条件的影响，如反应物，可以选择溶液的介质、温度和pH值湿过程。因此，晶体大小，晶体形状，纳米晶体的表面结构可以得到更好的控制比在干燥过程中容易。溶胶-凝胶法和水热加工是目前最常用的合成方法二氧化钛纳米晶，其中钛盐在溶液中水解然后结晶。在这些过程中，晶体的尺寸晶体的生长速度可以控制，而晶体的形状是强烈依赖于晶体生长方向，这并不容易在正常情况下控制。迄今为止，对研究较多的二氧化钛纳米晶的催化性能结果表明，二氧化钛纳米晶具有较大的比表面积和较高的结晶度导致高的光催化活性。相对于传统硅光伏DSSC作为一种具有成本效益的替代方案，受到人们的极大关注。效率的提高是由于大的表面积多孔膜，更有效的吸收染料分子的光，以及电子之间的传输和/或转移DSSC中薄膜材料/电解质/对电极的表面。本次试验的纳米二氧化钛粉体的成功制备由水热工艺在水热温度60℃，并按制样进行比较样品煅烧在不同的温度从500℃到800℃，并进行后续的光阳极的加工，设备制造和组装，太阳能电池性能测量和设备建模。在本次实验中，我们做了一个新的趋势煅烧二氧化钛纳米粒子组装前TiO2电极。纳米粒子在不同温度煅烧后，使用场发射扫描电镜对形成的二氧化钛纳米棒进行了表征，并进行X射线衔射仪(XRD)测试。第二章DSSC的基本原理和组成2.1DSSC的基本原理染料敏化太阳能电池的结构是一种近似于三明治形状，它的重要构成部分可以分为：敏化剂、电解质和对电极、导电玻璃基体、纳米级的多孔半导体薄膜。电池结构示意图如下图所示。图2.1电池重要构成部分简单示意图在DSSC结构中，其最重要的中心组成部分是纳米晶多孔半导体薄膜，因为锐钛矿TiO2的禁带宽度相对较大，光学稳定性良好，所以一般使用纳米晶TiO2作为制作光阳极材料，将TiO2刷印在导电玻璃基体上，制成薄膜电极。将薄膜电极浸入特定的染料溶液中敏化的主要作用是是为使染料分子吸附在TiO2表面。在光照射到光阳极情况下，敏化剂会发生能级的跃迁现象，从基态变化成激发态，由于染料的氧化还原的电位和对应的半导体电位相匹配，基态在半导体的禁带中，半导体导带比染料激发态要高，电子便从染料分子快速注入到TiO2导带中。电子在经过TiO2纳米颗粒移动到导电基底，最后流到外部电路的对电极处。在整个光电循环反应过程，氧化态的染料分子和I3-/I-离子的氧化还原电对发生氧化或还原反应。过程中发生的化学反应如下:表2.1DSSC反应过程及反应公式反应过程描述反应公式光照条件下，染料分子由基态跃迁到激发态S*S0+hv→S*TiO2导带接收来自激发态的染料电子S*→S++e-(CB)纳米晶TiO2薄膜将TiO2导带中的电子传输到导电基底，流入外电路e-(CB)→e-(BC)电解质中I3-/I-氧化还原对与TiO2薄膜中传输的电子复合2e-+I3-→3I-氧化态染料间的电子与TiO2导带中的电子复合e-(CB)+S+→S0氧化态染料经电解质中I-离子还原再生3I-+2S+→2S0+I-I3-离子扩散到对电极(CE)上得到电子再生I3-+2e-(CE)→3I-本次实验采用稀土（Er和Yb）掺杂TiO2制备光阳极，其性能受到多种因素的影响，其中几个主要的因素及其影响如下表所示:表2.2DSSC性能影响因素及机理因素变量影响机理热处理温度不同的热处理温度影响改性样品的粒径、晶型以及形成固溶体的情况，从而影响改性样品的光催化活性热处理时间同煅烧温度一样，烧结时间也存在一个最优的值，超过这个时间，催化效率会随之下降，随着烧结时间增长,样品中锐钛矿晶型含量减少而金红石晶型含量增多,平均粒径变大.一方面平均粒径变大使得TiO2的比表面积迅速减小稀土离子的种类不同的稀土离子对TiO2的光催化性能具有不同的影响，这是元素的特殊性决定的。稀土元素掺杂方式不同的掺杂方法会影响稀土元素TiO2存在的方式及其与TiO2分子之间的距离。从而改变光电转化效率本次实验主要是探讨不同的纳米粉体制作前的热处理的温度对最终产品的光电转换效率等特性的影响，所以在在不同批次制作的原材料或者中间产物的处理上要确保其他能够明显影响其性能的变量相同。2.2DSSC的组成2.2.1导电玻璃基体导电玻璃基体不仅仅是作为染料敏化太阳能电池的支撑载体，且要让太阳光尽可能多的透过，以照射到染料敏化剂上，因此其透明度要求在70%以上。基体的另一个作用是收集半导体薄膜传导的电子，用来传输到外电路，所以要保证基体具有导电性，因此电阻不能太高，其方块电阻一般为5-20(Ω/□)。为了基体与提高纳米半导体薄膜的结合强度，玻璃基体要在450摄氏度左右的马弗炉中烧结，因此就需要基体要具有经高温处理后的热稳定性，不至于产生形变，与此同时还保证其导电率和透明度不会发生太大的变化。目前所使用的透明导电玻璃的基体会用化学沉积法或溅射法镀一层透明的导电金属氧化物，常见的导电金属氧化物包括In2O3-Mo(IMO)系列、In2O3-Sn(ITO)系列、SnO2-Sb(ATO)系列、ZnO-Al(ZAO)系列、SnO2-F(FTO)系列等[1]。由于SnO2薄膜所用原材料具有工艺不复杂、价格相对比较低、优秀的化学稳定性等特点，因此SnO2是比较常见适用的氧化物透明导电薄膜的材料。本次实验在马沸炉煅烧要求的温度是450摄氏度，In2O3薄膜虽然在高于300℃温度环境下薄膜的电阻率会发生急剧增大的现象，但在导电性上更具优势，因此也经常被采用。除了用导电玻璃作为DSSC的支撑载体外，柔性材料作为基体也已经有所研究。这种柔性基体在一定程度上解决了使用玻璃基体而造成的质量较大问题，而且具有一定的弯曲性，使DSSC的应用的范围更加广泛。2.2.2纳米多孔半导体薄膜染料的载体是以纳米晶为主的半导体薄膜，对其的要求是比表面积要尽量大，用于吸附更多的染料和最大限度地与电解质接触。纳米晶薄膜不仅仅是染料的载体，同时也在DSSC中起到传递电子的作用，是DSSC的核心部分，其厚度、形貌、孔隙率等因素都会影响电子的迁移率，从而在某种程度上影响电池转化效率，因此在原始材料的选择有一定的要求。首先，要保证染料的吸附量，就要求原始材料的比表面积要相对大。其次，半导体的能带要和染料能带相匹配，以保证光生电子能注入半导体导带中[2]。目前使用的半导体薄膜大多是金属半导体材料，常见的有ZnO、TiO2、WO3、SnO2，在这些材料中转换效率最高的是由TiO2制作的薄膜，其内比表面积约为80-100m2/g，粒径范围在15-20nm，因此具有超高的染料吸附能力，从而提高光电转换效率。DSSC具有成本低、绿色环保无污染、加工工艺简单的特点。其光电效率受有很多因素联合的影响，其中最主要影响因素包括染料、电解质以及光阳极等。因此光阳极通过制备更高的比表面积来以增加染料吸附性能，成为有效提升光电效率的途径之一。由于材料的形貌和尺寸对材料性能影响非常大，因此在整个纳米粉体制备的过程中，就需要特别注意对材料的形貌和尺寸控制。在20世纪80年代以来对纳米材料的合成研究过程中，使得目前在实验室能成功实现制备纳米球状、纳米管状、纳米棒等形貌的纳米材料。纳米材料的合成方法以反应物的存在的状态来划分能分成以下3种：气相法、固相法和液相法。液相法是指通过各种手段使均匀的相溶液中的溶质和溶剂相互分离，分离后在形成具有固定尺寸和形貌的前期生成物并研磨成粉末后，通过在马沸炉或其他加热装置中加热处理后最终形成超微细颗粒。由液相法制备的产物具有以下几个优点：工艺简单、化学组成更准确、均匀性优良、合成产品纯度高。最重要的是液相法能很好地控制颗粒的形状和粒径的大小，生成物的化学活性较高。液相法主要包括沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热法等。在本次实验过程中主要采用液相法中的溶胶-凝胶法来制作。沉淀法是通过一定条件和特定药品来改变溶液中各成分的溶解度，从而使特定组成成分在溶液中的溶解度的改变从而析出无定形固体沉淀的一种方法。相对来说沉淀法操作比较简单，但是对于复杂体系来说，其分离度低的缺点使其不被普遍使用。陈冬菊[6]等人使用沉淀法制备了圆饼状的CaSb2O6:Bi3+,Eu3+荧光粉，其尺寸大小在100-200nm之间。荧光粉可实现从蓝光、白光到红光的自由调控；顾少楠[7]等人以ZnO(NO3)2·6H2O为原料，用沉淀法合成了疏水ZnO，从而提高了泡沫的稳定性；溶胶-凝胶法(Sol-Gel)是本次实验材料的主要制作方法，用具有高化学活性成分的有机化合物作为在液相条件下将特定原料经过不短的时间搅拌并混合后，并进行加热发生缩合化学反应，使其在溶相逐渐转变形成比较稳定的透明溶胶体系，溶胶通过颗粒间缓慢聚合后逐渐形成具有一定的空间结构的凝胶，凝胶结构间充满了固定的但均匀分布的溶剂。凝胶经过在特定条件下干燥（本次实验条件为低温、真空）后、研磨成粉末并在马沸炉中烧结固化以制备出分子乃至纳米级的材料。崔祥水[8]等人采用溶胶-凝胶法制备了透明块状的Eu3+掺杂ZnAl2O4/SiO2微晶玻璃发光材料，其应用前景可观。田根林[9]等以正硅酸乙酯(TEOS)为前期载体，以氨水作为催化剂，在竹材表面用溶胶-凝胶法制备了颗粒直径大小为500-1000nm构成的一层薄膜，竹材横截面与水平面的的接触角达到154°，符合超疏水表面特性；宋金玲[10]等用溶胶凝胶法制备了钐掺杂二氧化钛，由于Sm的掺杂以至于TiO2晶粒生长被抑制，制备得到颗粒在5-10nm的粒径较小的晶体；刘国敬等[11]采用溶胶-凝胶法制备了Eu3+掺杂的TiO2纳米晶，颗粒大小为30-80nm之间。微乳液法是在微泡中互不相溶的两种溶剂下形成乳液，在表面活性剂的作用下经成核、聚结、团聚、热处理后制得纳米粒子的方法。水热法又叫热液法，是指在高温高压的条件下，以水为溶剂，在密封的压力容器中进行的化学反应[12]。刘海瑞[13]等人在活性剂的辅助作用下，通过水热法分别制备了不同粒径的ZnS纳米球，平均粒径在45nm，其对亚甲基蓝的降解率达到97.5%；刘立虎[14]等用MnCl2、LiOH、EDTA和NaClO混合溶液一步水热合成了LiMnO2，作为一种锂离子电池正极材料，并将其与碳纳米管复合后，粒径约100-200nm；2.2.3敏化剂敏化剂被吸附在纳米晶薄膜上，在光照激发的条件下，电子发生跃迁至激发态，并将电子转移到半导体导带上，且染料自身由基态转变激发态[3]。作为DSSC中吸收光照的最主要的组成部分，其物理化学性能的品质将直接影响DSSC的光电循环转换效率。因此，要求敏化剂具有：(1)有较好的稳定性，其持续氧化还原次数高到108；(2)吸收光谱范围要尽量宽且最好能与太阳光谱相近；(3)为了更加方便电子注入半导体的导带，敏化剂激发态能级要求比半导体导带能级高；(4)具有羧酸盐或磷酸盐等强大的吸附能力，以便于被吸附在半导体上；(5)较高的电荷转移效率和较长的激发态寿命。目前使用的敏化剂主要包括无机材料合成的染料敏化剂和有机材料合成的染料敏化剂这两类。无机材料合成染料的热稳定性和化学稳定性理所当然会比有机材料合成的染料更好，主要是因为其电化学与光化学性能。在各种无机染料中，含钌染料和黑染料等敏化剂的转换效率最高，用敏化剂敏化的二氧化钛薄膜制作的电池转换效率已经超过了10%，但是由于钌金属的价格比较昂贵，导致含钌染料受成本制约不能用于大规模制作，而使用各种叶绿素、嘌呤、胡萝卜素等有机染料作为敏化剂，会使大部分电池的转换效率在2%以下[4]。而且，有机染料稳定性差、易分解，所以实用性也很小。2.2.4电解质电解质的作用是将积累在对电极处的电子传输到染料中，使染料还原，其扩散到对电极发生还原反应，在DSSC中主要起到运输电子的作用，所以要求电解质具有相对较高的迁移率。根据电解质的相可以分为固态电解质和液态电解质。其中，液态电解质使用最广泛。液态电解质用稳定性较好的戊腈、乙腈和三甲氧基丙腈等作为溶剂，I2-/I3-、SCN-/(SCN)2等做氧化还原电对。由于I3-/I2-电子对的良好的动力学性能，而且与氧化还原电势相比基态染料敏化剂更低，它们的能级能与很多种类的染料敏化剂的能级相对应，因此目前的研究率和使用率都比较高。为了尽可能提高电池的光电性能，常常会在液态电解质中附加4-叔丁基吡啶(4-TBP)等用来来抑制电流的复合添加剂。当然，液态电解质也会有一些不可回避的缺点：首先，液态电解质与固态电解质相比其挥发性较大，且导致染料敏化剂发生自然降解，从而DSSC的稳定性就较差；其次，电池使用液态电解质制备的工艺、封装相对复杂，在长期放置的条件下在电池中的电解质容易泄漏；由于离子在液态电解质中会发生反向迁移的特殊现象从而会导致出现电子复合反应等一系列问题，会直接导致电池光电性能降低。综上所述，对准固态、固态电解质开发与探索就显得意义重大。2.2.5对电极对电极的作用是收集流过外部电路中的电子，并将其转移给电解液中的I3-，并使其发生还原反应；同时，对电极表面的铂金属能可以将未被利用的太阳光反射回去，使染料尽可能再次吸收，从而提高光利用率。目前常见的对电极包括碳电极、铂电极和导电聚合物电极等。其中，铂的活性较高因而最容易吸收反应物质，所以使用铂对电极能够在常见的原料中得到较高的光电效率，铂对电极被广泛应用[5]。目前常用的制备铂电极工艺技术为磁控溅射和电镀等方法。但是，铂是种贵重金属，，其在大批量工业化的应用中受成本因素的限制。另外，由于碳较好的的导电率和催化活性也符合对电极的要求，用碳对电极代替铂对电极的研究也因此受到重视。第三章稀土发光材料简介3.1稀土材料发光原理元素周期表中的镧系元素加上钪、钇，一共7种元素，被称为稀土元素。它们是镧(La)、铈(ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、钷(Pm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、钬(Ho)、镝(Dy)、铥(Tm)、铒(Er)、镱(Yb)、钪(Sc)、镥(Lu)、钇(Y)。它们的存在形式因为稀土元素普遍存在化学性质活泼的特点就不难理解地以固体氧化物为主，常常用作基体发光(荧光)材料，又或者作为激活剂或敏化剂被使用。在稀土元素原子的电子构型中，一般存在4f轨道。镧系元素的电子组态为4fn5d16s2或4fn6s2，在失电子时先失去6s和一个5d或4f轨道上的电子，变成三价离子，电子未充满的4fn结构，因此就产生了多种能级跃迁的有利条件。因为稀土元素原子具有丰富的电子能级，从而出现特别的物理化学性质，在光、电、磁领域应用广泛。当一些产品受到外部条件(光的照射、外加电场或电子束轰击)的作用后，电子就会发生由基态跃迁到激发态的能级跃迁，又因为激发态显然不是一种非常稳定的状态，它比较难以维持平衡状态。利用激发态恢复到基态的过程，通过光或热等方式、可见光或近可见光的电磁波形式释放出部分多余的能量，其中以电磁波形式发射出能量的现象就是发光现象。对于稀土元素原子而言，电子在能级间的跃迁使稀土离子能够发射出可见光，其4f电子组态能级和电荷迁移带结构都相对丰富，以至于它们的能级跃迁方式相对比较多，从而使得稀土化合物光学性质变得相对独特。目前对稀土发光材料的研究以下几个方面为主：激发光谱。就是在某个特定的发射波长下其发射荧光的强度的大小。而且荧光强度的大小会伴随激发波长的改变而发生相对应的变化。与此同时，从激发光谱可以找到到某个发射峰的理论最佳激发波长。对于固体的发光材料而言，它们的能带宽度却只有几个电子伏，能量刚刚好对应紫外光区的能量。因此对固体发光材料进行激发时我们通常会选择紫外光区。发射光谱。所谓的发射光谱就是用某一特定波长的紫外光进行激发，然后得到发射光谱。其结果可以反映荧光强度的大小随发射波长的变化趋势。在发射光谱中，由于存在发光中心的性质，因此可以根据发光中心受到周围基质晶格离子的影响不同，将发光中心分为两种：分立发光中心和复合发光中心。对分立发光中心而言，晶格离子对它的影响比较小，其能级一般呈自由离子的状态。另外在复合发光中心，晶体场会对外层电子影响较大，被激发的外层电子会进入导带，从而产生光电导。发光强度。发光材料发光的相对强弱可以用发光强度表示，发光强度随激发强度的变化而变化。发光材料的发光本领用可以用发光效率来表示，发光效率包括量子效率、能量效率及光度效率三种。浓度淬灭。在含有稀土的发光材料的研究过程中，我们发现其存在一种特殊的现象：随着稀土离子掺杂浓度的增加，发光材料的荧光强度会出现先增强后减弱的情况，其发光效率随之变化。这种现象称为浓度淬灭[15]。3.2稀土发光材料的应用随着我们对稀土材料研究的不断深入，稀土材料除了在发光玻璃、荧光LED灯的应用外，其应用逐渐出现新的领域，在光催化、信息检测、生物医疗和太阳能电池敏化几个方面备受关注。所谓的光催化是指在光的催化作用下，催化剂物质会出现电子—空穴对，并产生羟基和过氧根离子等，在这些高活性的反应条件下可以在一定程度有效氧化污染物，并把它们分解成二氧化碳和水，从而降解有机污染物，所以光催化可以在一定程度上解决土壤、水、大气污染等社会经济发展过程中带来的的环境问题。通常用TiO2、ZnO、CdS等含有稀土材料的物质作为光催化剂。半导体材料的光催化性能主要被它们自身的光学性质限制，TiO2因为3.2eV的禁带宽度的影响，其只能吸收太阳光谱中仅仅5%的紫外光，就显得光利用率低下，从而在一定程度上限制了光催化的效率。科研工作者们提出了很多方案来提高光催化效率，其中关注度最高的是发光材料和半导体光催化剂相结合的催化材料。把Eu3+、Ce3+、Nd3+、Tm3+、Er3+等稀土发光离子在一定的条件下与光催化剂结合后，利用稀土发光离子的特点可以将近红外光子转换成紫外光，提高了光催化剂对光的利用率。王瑞芬[16]等用溶胶-凝胶法在纳米TiO2粉体中掺杂Eu3+，抑制了晶粒长大，降低了光生电子-空穴的复合率，亚甲基蓝的降解率达到85.5%；李曼弯[17]等制备具有较高热稳定性和光催化降解活性的稀土元素Ce掺杂改性的TiO2光催化剂TiO2-Ce，在微波辐射-紫外光照条件下降解60min后，甲基橙降解率分别为98.6%和99.3%，苯酚的降解率也分别达到了96.6%和97.2%；随着生物技术与纳米技术结合越来越紧密，纳米医学的研究也逐渐深入，纳米材料被赋予成像、探测、治疗等特殊功能，并具有成像衬度高和药物缓释性强等性质，使其在一定的条件下能对病情有效治疗，进而开启了纳米医疗的新时代。稀土掺杂的纳米发光材料因为发光材料自身独特的光学性质、磁学性质和对人体的低毒性成为备受关注的生物医学材料。于放达等在NaLuF4壳层中共掺杂敏化剂离子Yb3+和两种发光中心离子Er3+和Tm3+，制备的纳米粒子在一元激发光下，能够出现渐变色上转换发光，将它用于活体荧光探针，可以在实现同一波长光激发下观察不同的生物体部位；Hena[18]等在被链亲和素覆盖的96孔板上固定生物素化的抗体，将NaYF4:Yb,Er表面修饰上针对靶目标的第二抗体，成功检测出了促黄体激素和促甲状腺激素；吴笑峰[19]等用热熔剂法，制备了Yb3+和Er3+共掺的NaLuF4纳米晶，利用它的荧光探针性能，清晰的标示了西红柿表皮形貌。稀土离子具有的激发态寿命比较长，能够发射特征荧光的特点。在稀土毒理学表明，稀土的生物活性可以通过一定的方法例如合成稀土水合物加以改变和增强。悬着毒性较低的稀土水合物，可以在抗血栓、消炎杀菌、动脉硬化、肿瘤、止痛等医疗方面有着广泛应用。吴燕利[20]等采用尿素均相沉淀法制备了150nm左右的氨基化SiO2修饰Gd(CO3):Eu3+顺磁性-荧光双功能微球，利用其受396nm光激发，发射Eu3+特征荧光的特性，成功标记了NCIH460肺癌细胞，为癌症的生物医疗开辟了新道路；王晓晨[21]等将稀土铽酸盐链接到纤维素的羧基上，制备了稀土修饰氧化纤维素医用敷料，紫外光照射下发射绿色特征光，可用于伤口感染的特殊标记；如果在DNA末端引入荧光材料探针，就可以用扫描仪记录荧光探针的荧光，从而记录DNA的复制过程，用专门的计算机软件分析荧光强度，根据显示的荧光强度，就可以分析病人的患病情况。染料敏化太阳能电池低开辟了解觉能源问题的新途径，对其研究集中在很多方面，最终还是着重于提高光电转换效率。纳米半导体多孔薄膜是染料敏化太阳能电池的研究的一个方面，同时，用于对半导体进行敏化的染料，电子传输过程中的电解质以及对电极等也是提高太阳能效率的一方面。目前来看，最佳的纳米多孔半导体薄膜依然是TiO2[22][23]纳米晶，常用的染料光敏化剂以N719、N3和Z907染料效果较好，电解质多用I-/I3-电解质。近年来，利用稀土的转换作用将其用于DSSC，已经取得一定成果，谢桂香制备的TiO2:(Er3+,Yb3+)上转换发光粉,并将其应用于染料敏化太阳能电池，光电转换效率达到7.28%[24]，王江丽[25]等将稀土的下转换性能应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)，光电转换效13率从5.32%提高到5.84%，李庆北[26]等采用均匀沉淀法制备Gd2O3:Eu3+下转换发光粉，对其光学特性进行了分析，并制备了下转换光阳极，实现了紫外光转到可见光的转换，提高了染料的光利用率，进一步提高了电池的光电流，提高了转换效率。第四章实验过程3.1实验试剂和实验仪器3.1.1实验试剂表3.1实验药品药品名称规格去离子水自制无水乙醇分析纯钛酸丁酯化学纯乙酰丙酮化学纯盐酸溶液分析纯硝酸铒（稀土原料）分析纯硝酸镱（稀土原料）分析纯乙基纤维素化学纯松油醇分析纯OP乳化液化学纯敏化染料分析纯3.1.2实验仪器表3.2实验仪器实验仪器主要作用超声波清洗仪清洗烧杯、培养皿等容器电子天平称量定量的药品恒温加热磁力搅拌器使液相加热水解并发生缩合化学反应成溶胶马沸炉煅烧前驱物，结合和薄膜太阳光模拟器体系模拟太阳光照射并测其材料的光电转化效率自动化丝网印刷套件将浆料均匀印刷到导电玻璃基体上X射线衍射仪测试产物的XRD扫描电子显微镜观察产物的大小和形貌磁力搅拌器使液相搅拌均匀4.2浆料的的制备4.2.1稀土掺杂TiO2的制备溶胶-凝胶法制备前驱物需要用到溶液A和溶液B，用的烧杯配置溶液A，200mL烧杯配置溶液B。溶液A、B的主要成分如下：溶液A：90.4mL钛酸丁酯147.2mL无水乙醇8mL乙酰丙酮溶液B：20mL去离子水78.6mL无水乙醇0.4mL盐酸溶液用一次性滴管和100mL的量筒称量90.4mL钛酸丁酯，然后用100mL的量筒称量2次无水乙醇加入500mL烧杯中，要将用称量好的无水乙醇冲洗称量钛酸丁酯的烧杯，尽可能保证钛酸丁酯的含量为标准值；乙酰丙酮，加入8mL的乙酰丙酮。A液配置完成后放到磁力搅拌器上进行适当转速的搅拌。用100mL量筒分别称量20mL去离子水和78.6mL无水乙醇加入200mL烧杯中后加入0.4mL盐酸溶液，要用对应量程的一次性注射器并利用注射器的量程进行比差法计算0.4mL盐酸溶液。由于盐酸溶液的强腐蚀性，添加盐酸溶液要在通风橱带上口罩和手套小心地进行操作。溶液B配置完成后在A液搅拌的条件下缓慢加入到A液中；用电子天平分别称量硝酸铒2.3552g、硝酸镱11.9288g，使用电子天平是要在称量处放置称量纸。待AB两液混合后且无分层后将称量号的稀土原料添加到溶液中利用转子和磁力搅拌器搅拌至稀土原料完全溶解在液相中，该过程大约需要30min；待稀土材料完全溶解后将烧杯转移到恒温加热磁力搅拌器中，设置恒温加热为60摄氏度，进行水浴加热并持续搅拌，在加热搅拌过程中要注意每5分钟加入10mL的去离子水，并观察烧杯中溶液的状态。水浴约40min后液相会发生水解和络合现象，待液相逐渐凝固变成稳定的凝胶状态后将烧杯取出在降到常温后放到冰箱冷藏；为了防止恒温加热磁力搅拌器的加热棒生锈，要等待水冷却到室温后将水倒掉，凝固的胶体放到低温真空干燥箱内干燥，干燥需要48小时，两天后，黄色凝胶变成黄色大颗粒状粉体，为煅烧成纳米粉体的前驱物。本次实验的控制变量是煅烧的温度（500℃、600℃、700℃、800℃），探讨不同煅烧温度对太阳能光电池光阳极的性能的差异。将干燥的纳米粉体前驱物研磨至超细的粉末状态后均匀的放在坩埚中并放入马沸炉中煅烧。为保证实验的其他条件一致，只控制最高温度这单一变量，实验采取一定的升温速度（10℃/min），最高温度保温时间相同（120min）的方式控制不同前驱物的煅烧温度。设定马沸炉的程序可以完成煅烧过程。以500℃为例，室温约为20℃，所以程序设定升温过程用48min分钟升到500℃，并在500℃条件下保温120min，加热总计用时168min。待整个马沸炉自然冷却到室温后取出纳米粉体并收集放到带标签的药品塑料容器中。每次完成煅烧后要用无水乙醇清洗马沸炉内部以备下次使用。由于前驱物含有一定量的有机物，其在加热过程中会被煅烧并产生刺激性气味，所以煅烧过程最好在通风橱中进行。完成不同温度的4组纳米粉体煅烧后用不同温度煅烧的纳米粉体制备4组浆料。配置浆料需要用到溶液A、B。其主要成分如下：溶液A：6mL无水乙醇0.5g的乙基纤维素溶液B：4.05g的松油醇5mL无水乙醇0.01mLOP乳化剂0.3mL乙酰丙酮用量筒称量6mL无水乙醇加入到干净的50mL小烧杯，后用称量纸在电子天平中称量0.5g的乙基纤维素粉末并加入到烧杯中然后放在磁力搅拌器中用适当的转速搅拌。由于乙基纤维素是一种比较难以溶解的物质，所以搅拌需要一定的时间。在其逐渐溶解的过程中制备B液：用用对应量程的一次性注射器并利用注射器的量程进行比差法计算4.05g的松油醇加入到另一个干净的50mL小烧杯然后用量筒称量5mL无水乙醇加入其中。用一次性滴管搅拌两种分层液相物质使其相互溶解后，然后用一次性滴管将混合液体加入到溶液B加入到溶液A。搅拌中，然后用带刻度的注射器用比差法确定药品的剂量，加入0.01mL的OP乳化剂和0.3mL的乙酰丙酮。待烧杯中的固态物质全部溶解且无明显沉淀后加入1g的带稀土纳米粉体并持续搅拌使其完全溶解，此过程至少需要40min。粉体完全溶解于液相之后将其放到恒温加热磁力搅拌器中，在80摄氏度的条件下水浴并不断搅拌，使液相中的乙醇蒸发，随着液相中乙醇的不断减少，液相逐渐变得粘稠，待粘稠度到一定程度后成浆糊状完成了印刷浆料的制备。带稀土纳米粉体一共有4种温度煅烧而成，所以一共制作4组不同的浆料。4.2.2纳米片浆料的制备4.3稀土掺杂TiO2光阳极的制备准备20片导电玻璃作为实验室光阳极制备的基体，因为导电属性是由导电薄膜物质提供的，其摩擦系数比玻璃的另一面要高，所以我们可以用对比透明玻璃两面的摩擦系数的方法确定有导电薄膜的一面。确定导电的一面向上后将20个导电玻璃分成4组，每组5片。光阳极的制备要求刷印4层，其中下面两层为相同的P25纳米片浆料，表面两层为不同温度煅烧的带稀土纳米粉体制备的4组浆料。将玻璃片固定在自动化丝网印刷套件的待刷印区域后，在丝网印刷上放上对应的浆料后启动自动化刷印程序，动化丝网印刷套件会全自动完成刷印。完成刷印后的玻璃片需要在空气中干燥10分钟后放入80℃的恒温干燥箱中干燥最少10分钟以确保具有一定流动性的浆料完全凝固。每次刷印完成后等待其干燥的过程中需将丝网印刷的网孔用无水乙醇湿润过的实验室专用纸巾将丝网印刷的网孔来回摩擦以确保网孔的清洁，防止网孔堵塞或影响下一次刷印浆料的纯度。完成所有印过程后，将4组导电玻璃一起放入80℃的恒温箱中干燥12小时后取出，为了基体与提高纳米半导体薄膜的结合强度，玻璃基体要在450摄氏度左右的马弗炉中烧结。用马弗炉设定以5℃/min的速度升温，在450℃中保温30min的程序。以室温20℃为起点，升温过程为86min，总计116min。待马弗炉冷却到室温后将玻璃片取出，取出时注意不能将不同组的导电玻璃弄混。要放到之前有标签的容器中等待下一步处理。稀土掺杂TiO2光阳极的最后一步处理是使用敏化剂对其进行敏化。在每组5个玻璃片选择3个进行敏化该过程要用到带盖子特定的大小（能放下3个玻璃片且不能互相重叠）的容器。不能分开敏化以确保敏化过程条件的一致性。因为敏化液具有微毒性，所以使用敏化剂要带上一次性手套。在4个相同大小的敏化玻璃容器注入等量的敏化液后用锡纸包住整个容器以起到遮光的作用，然后放入40摄氏度的恒温箱中放置24小时。24小时后将容器取出并回收其中的敏化剂，然后用无水乙醇浸洗两次，清洁后再放到恒温箱中干燥约12小时后整个光阳极的制备已经完成。第四章实验测试结果与讨论4.1X射线衍射仪(XRD)测试X射线衍射仪的形式多种多样，用途各异，但其基本构成很相似，为X射线衍射仪的基本构造原理图，主要部件包括4部分。表4.1X射线衍射仪组成部分高稳定度X射线源提供测量所需的X射线,改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长,调节阳极电压可控制X射线源的强度。样品及样品位置取向的调整机构系统样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。射线检测器检测衍射强度或同时检测衍射方向,通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。衍射图的处理分析系统现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统,它们的特点是自动化和智能化。X射线的波长和晶体内部原子面之间的间距相近，晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即一束X射线照射到物体上时，受到物体中原子的散射，每个原子都产生散射波，这些波互相干涉，结果就产生衍射。衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析衍射结果，便可获得晶体结构。经常用来表征材料的晶体结构，利用X射线照射进样品产生的衍射峰，基于衍射原理来得到其信息，如组成相，晶粒尺寸，晶格常数等。XDR可以有效的分析固体物质材料的组成部分和内部结构。X射线衍射线的位置由晶胞参数和晶面间距所决定，强度是由物质的晶胞原子的数量、种类和排列构成。通过对比分析衍射图谱与标准衍射卡片，可以确定每一-种特定的材料及其晶体结构。图为稀土掺杂粉体在不同煅烧温度的条件下的XRD谱图，如图所示，掺杂后的粉体在500、600、700℃的条件下煅烧的纳米粉体的衍射峰基本一致，其中5.3°对应(101),38°对应(004),47.7°对应(105)，54.8°对应(204)，但在800℃的条件下煅烧的纳米粉体在XRD谱图中出现了一个明显的异常高衍射峰，其他温度下的XRD衍射峰对比多出的衍射峰为金红石型的特征峰，由此可知是因为在800℃的条件下，TiO2晶体生长由不但只生成了锐钛矿型，还有金红石型。与普通无掺杂TiO2晶体在600℃及以上的煅烧才会出现金红石型的晶体的对比说明微量的稀土掺杂并没有直接改变TiO2的晶体结构，而是影响了其在不同的煅烧温度反而会影响晶体的生长。稀土掺杂的抑制了TiO2粉末生成金红石型的晶体，使其在800℃左右的温度才会出现金红石型。又由后续的光电性能分析可知在800摄氏度煅烧的条件下其光电转换效率比较低，说明其出现的红石型的晶体结构会抑制染料对光的吸收。从而降低光电转化效率。图4.1稀土掺杂TiO2的XRD谱图4.2上转换荧光光谱测试图4.2上转换荧光光谱（用980nm的近红外光激发产生的荧光光谱）4.3场发射扫描电子显微镜分析场发射扫描电子显微镜因为它拥有分辨率高、景深大、图像更富立体感、放大倍数可调范围宽等优点，能够对各种固态样品的表面形貌进行二次电子像、反射电子象观察及图像处理而成为各种实验室必需实验器材之一，是一种在各种物理化学实验室中常见的电子显微镜。。本次实验使用了场发射扫描电子显微镜（FESEM）来观察在不同温度下煅烧的稀土掺杂纳米TiO2粉体的表面形貌。本次对稀土掺杂纳米TiO2分析利用到二次电子成像原理，在低电压下通过在纳米尺度上观察样品，获得不变形的立体感极强的原始形貌特征和样品表面超微形貌结构信息。因为其具有高性能\t"/item/%E5%9C%BA%E5%8F%91%E5%B0%84%E6%89%AB%E6%8F%8F%E7%94%B5%E5%AD%90%E6%98%BE%E5%BE%AE%E9%95%9C/_blank"X射线能谱仪，所有能够同时对\t"/item/%E5%9C%BA%E5%8F%91%E5%B0%84%E6%89%AB%E6%8F%8F%E7%94%B5%E5%AD%90%E6%98%BE%E5%BE%AE%E9%95%9C/_blank"样品表层的微区\t"/item/%E5%9C%BA%E5%8F%91%E5%B0%84%E6%89%AB%E6%8F%8F%E7%94%B5%E5%AD%90%E6%98%BE%E5%BE%AE%E9%95%9C/_blank"点线面元素的定性、半定量及定量分析，具有形貌、化学组分进行综合分析。本次实验在研究生师兄的指导下进行，在多张TIFF图像中选着了4张具有代表性的图片进行分析。图4.3-图4.6分别是在500、600、700、800℃条件下煅烧的稀土掺杂TiO2的SEM拍摄的图片，由图片可知在随着温度的升高，其颗粒就越小，但在800℃的颗粒比较大，由上述XRD谱图可知在800℃煅烧时TiO2晶体结构出现了新的金红石型，晶体由锐钛矿型和金红石型共同构成，由此推测较大的晶体为金红石型晶体。图4.3500℃煅烧的稀土掺杂TiO2图4.4600℃煅烧的稀土掺杂TiO2图4.5700℃煅烧的稀土掺杂TiO2图4.6800℃煅烧的稀土掺杂TiO24.4光电性能分析DSSC的光电转换能力一般可以通过电池的光电流谱图即光电压-光电流曲线(J-V曲线)来评价，它是电极光电转换能力的反映，来评价电池性能的优良。曲线中包括DSSC典型参数包括：特征参数有开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和光电转化效率η。表2DSSC性能表征参数开路电压(Voc)在J-V曲线中为曲线与横坐标的交点；是指电池输出电流为零时的电压。短路光电流(Jsc)在J-V曲线为曲线与纵坐标的交点；表示电池输出电压为零时的电流。填充因子FF电池输出最大单位面积功率P0(曲线上所有点的横坐标和纵坐标乘积的最大值)，与Voc和Jsc的乘积的比值，公式为FF=Popt/(Jsc×Voc)=(Iopt×Vopt)/(Jsc×Voc)光电转化效率η最大单位面积功率与入射光强比值，公式为η=Popt/Pin=(FF×Jsc×Voc/Pin)在模拟太阳光照下，对上转换光阳极制备的电池进行光电性能测试，光电流-电压曲线如下图所示，图为短路电流、光电效率与纳米粉体煅烧温度的关系曲线，各项电池性能参数如表。从图可以看出，总体来说随着纳米粉体煅烧温度的增加，电池的短路电流和光电效率先增加后下降。500摄氏度与600摄氏度的曲线相近，这是因为这两个温度下煅烧的纳米粉体结构相近，当纳米粉体的煅烧温度达到700摄氏度时，短路电流和光电转换效率均为本次实验的最大值，这是因为其煅烧温度最接近理论的最适合煅烧温度，稀土掺杂TiO2具有上转换功能，在700摄氏度煅烧的粉体制备的光阳极能将紫外光转化为染料可以有效吸收的可见光，提高了光利用率，从而使光电性能有所提高。在800摄氏度煅烧的条件在制备的光阳极反而是最低的，又XRD分析可知其出现了一个明显的异常峰值，可能是因为煅烧温度导致TiO2的结构出现了不利于光电转换的结构。由于TiO2上转换粉体荧光强度不同程度的增大，对光的转换利用率会不同程度的提高，产生不同的光生电子量，从而导致短路电流和光电效率不同程度的增大，光利用率最高，因此短路电流和光电效率均最大。DSSC的开路电压取决于半导体费米能级与电解质的氧化还原电势之差，在未达到最大开路电压Vm之前保持在0.73V左右。图4.7稀土掺杂TiO2制备的光阳极的J-V曲线表7光阳极的光电性能参数煅烧温度/℃VOC/VJSC/mA*cm-2FFη/%5000.7262.1230.530.666000.7221.9640.520.647000.7172.5730.691.308000.7410.7110.210.19结论在DSSC中的电极被敏化剂敏化，但由于染料对太阳光的吸收范围主要在可见光区域（380-660nm），对于能量更高，波长更低的紫外光吸收很少，导致其对太阳光的利用率比较低，在一定程度上影响了DSSC的光电转化效率，由于稀土离子能够吸收低能量的长波并发射出短波，即上转换现象，利用稀土离子的上转换发光特性，在二氧化钛纳米粉体中掺杂各种稀土元素并制备稀土掺杂的二氧化钛制作的电极能够利用在DSSC中，将染料不能利用的光转化成其可利用的光，从而间接拓宽其光谱吸收的范围，提高光的利用率，对提高光电性能具有重大意义。在本次实验中，我们探讨了在使用溶胶-凝胶法制备Er、Yb掺杂的二氧化钛粉体在不同的煅烧温度下对以其为原料制备的DSSC光阳极的光电转化性能的影响。制备的样品通过XRD，TEM进行测试表征，并进行了光电性能分析。用溶胶-凝胶法制备的Er、Yb掺杂的二氧化钛纳米粉体，并以此制备的DSSC上转换光阳极，结果表明，稀土掺杂的TiO2能将紫外光转换成染料可吸收的可见光，从而拓宽了光谱的响应宽度，增大了光的利用率，从而提高了电池性能。当在700摄氏度的条件下制备的光阳极测试中，其短路电流打到最大值2.123mA/cm2，可能是因为其接近本实验未能准确给出的理论最合适煅烧温度。致谢时光如梭，伴随着接近一个学期的毕业设计的结束，我的大学生活也将随之告一段落，回顾在大学中度过的四年时光，在学校、老师和同学门的帮助下我过得很充实。在学校的系统的专业知识的学习生活中，我明显感觉到自己在学习能力，思想觉悟上有了很大的提高。在此真诚地感谢每一个帮助过我的人。首先，要感谢王文广老师在最后一个学期的毕业设计器件对我的关心和帮助，本次毕业设计是在王老师的悉心指导下完成的，从论文选题、论文的理论基础、实验设计