量子點(diǎn)敏化TiO2光電極的制備及其光電性能的研究.pdf

1、量子點(diǎn)(Quantun Dots，QDs)具有帶隙可調(diào)，消光系數(shù)大及多重激子效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，從而使得量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池(Quantum Dot-sensitized Solar Cells，QDSSC)在染料敏化太陽(yáng)電池(Dye-sensitized Solar Cells，DSSC)的基礎(chǔ)上有其獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。理論上量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池是一種更為經(jīng)濟(jì)、高效的太陽(yáng)電池。然而，目前量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池最高效率(η=5.4％)，遠(yuǎn)未達(dá)到人們的期望值

2、。觀其原因，主要是量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池的內(nèi)部機(jī)理和其材料的選擇及制備工藝這兩方面的研究還不成熟。本文從優(yōu)化電池的光利用率以及電子傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行了研究，得到以下結(jié)果。
　　 1.以SiO2微球?yàn)槟０嬷苽淞薚iO2空心球。將空心球與TiO2納米顆粒混合，采用刮板法在FTO導(dǎo)電玻璃上制備了空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0％，5％，10％，15％的空心球與納米顆?；旌系腡iO2膜。光電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％時(shí)，TiO2電極的光電流及

3、光電壓最大。分析認(rèn)為，空心球的加入擴(kuò)大TiO2膜的孔徑，延長(zhǎng)光在膜中的傳輸路徑，提高了光吸收效率;同時(shí)空心球的引入也減少了膜中光生載流子復(fù)合中心，延長(zhǎng)了電子壽命，從而使光電流與光電壓增大。然而空心球過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致膜中顆粒間接觸不緊密，膜的電阻增大，從而使光電流與光電壓減少。在采用連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法(Successive IonicLayer Adsorption And Reaction, SILAR)沉積CdS時(shí)，由于TiO2空心球

4、的引入增大了膜的孔徑，膜中CdS的沉積量隨空心球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大逐漸增多，CdS尺寸逐漸增大。光電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示膜中沒(méi)有空心球或空心球較少時(shí)，由于膜中的CdS的沉積量較小，光電流較小?？招那蛸|(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％時(shí)，光電流最大。原因在于CdS的量較多，膜對(duì)光的利用率好。然而當(dāng)空心球過(guò)多時(shí)，由于膜的電阻大，光電流降低。
　　 在TiO2顆粒膜上滴涂了尺寸分別為350 nm、700 nm的空心球?qū)樱苽淞薈dS敏化TiO2顆粒與空心球雙層

5、膜電極。光學(xué)及IPCE(Incident Photon To Current Efficiency)測(cè)試結(jié)果顯示兩種空心球散射層都具有提高電池對(duì)光利用率的作用，而700 nm空心球作為光散射層是對(duì)提升電池IPCE值效果更好。通過(guò)分析，我們認(rèn)為其原因在于700 nm空心球?qū)訉?duì)光的散射作用更強(qiáng)并且對(duì)電解質(zhì)進(jìn)入顆粒膜的阻礙較小。
　　 2.以一種低成本的方法合成出了油酸包裹的CdS、CdS0.75Se0.25、CdS0.5Se0.5、

6、CdS0.25Se0.75及CdSe五種膠體量子點(diǎn)并將其應(yīng)用于CdSxSe1-x敏化TiO2電極的制備。IPCE圖譜顯示五種量子點(diǎn)敏化TiO2電極的光電響應(yīng)范圍不同，隨著量子點(diǎn)中Se元素含量的增多，電極的光電響應(yīng)范圍逐漸紅移。由此可知通過(guò)改變CdSxSe1-x量子點(diǎn)的成分，我們成功調(diào)控了TiO2/CdSxSe1-x電極的光電響應(yīng)范圍，此種TiO2/CdSxSe1-x電極有望成為構(gòu)筑全譜太陽(yáng)電池的器件材料。
　　 在IPCE測(cè)試過(guò)

7、程中，我們發(fā)現(xiàn)隨著光照時(shí)間的增長(zhǎng)，電極的IPCE值逐漸升高，光電流逐漸增大。通過(guò)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們認(rèn)為其主要原因是油酸的降解。由于TiO2具有光催化性能，光照過(guò)程中量子點(diǎn)周圍的油酸在TiO2表面發(fā)生了催化降解反應(yīng)。油酸的降解使量子點(diǎn)與TiO2間的接觸變得緊密，光生電子從量子點(diǎn)到TiO2的注入率變高，最終導(dǎo)致電極的光電流及IPCE值隨光照時(shí)間增長(zhǎng)而增大。
　　 3.采用SILAR法在TiO2顆粒膜中沉積不同循環(huán)次數(shù)的CdS量子點(diǎn)

8、后，吸附N719染料，制備了CdS、N719共敏化TiO2太陽(yáng)電池。CdS的引入可以抑制TiO2中電子與電解質(zhì)的復(fù)合，從而增大了電池的開路電壓。此外，CdS的引入一方面減少了染料N719染料的吸附量;另一方面與N719染料相互作用，兩者能帶自發(fā)調(diào)整，提高了電池中光生電子、空穴分離速率。因此CdS的沉積量對(duì)電池的短路電流有很大影響。CdS的沉積量較少時(shí)共敏化效果較弱，電池中較少的染料吸附量使得電池的短路電流較低，因而導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)化效率