氟-稀土上轉(zhuǎn)換材料TiO2復(fù)合光陽極的制備與光電性能研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池(DSSCs)，由于其設(shè)計理念新穎，生產(chǎn)成本低，轉(zhuǎn)換效率高，已經(jīng)成為可再生能源研究領(lǐng)域中最有前途的太陽能電池之一。目前TiO2基染料敏化太陽能電池主要存在兩個問題：在可見光區(qū)的吸收強度弱，對紅外光的能量利用缺失，導(dǎo)致電池的吸收光譜與太陽光譜不匹配。TiO2自身大量的表面態(tài)及氧空位引發(fā)的界面光生載流子的復(fù)合，較寬的帶隙造成光生電子注入效率低。因此研究制備新型高效的染料敏化太陽能電池光陽極材料是非常必要的。
　　針對

2、以上TiO2基染料敏化太陽能電池存在的問題，本論文從改進TiO2光陽極材料出發(fā)，制備了氟、稀土上轉(zhuǎn)換材料TiO2復(fù)合光陽極，擴大了電池在可見光區(qū)的吸收范圍，增加了電池對近紅外光的利用；改善了光陽極薄膜內(nèi)光生電子的分離和注入能力以及電池內(nèi)部界面載流子的復(fù)合情況；最終提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　選擇了氟離子對TiO2進行改性，研究了氟摻雜對TiO2光陽極薄膜內(nèi)光生電子的分離能力、注入行為以及電池內(nèi)部載流子的轉(zhuǎn)移行為的影響。實驗結(jié)果

3、表明：氟離子摻雜可以使TiO2的吸收帶邊發(fā)生紅移，平帶電位正向移動，費米能級下降，電子注入的驅(qū)動力增大，有利于增加短路電流；能夠提高電子的傳輸能力，抑制光生載流子的反向復(fù)合，延長電子壽命，最終使得F摻雜TiO2光陽極電池的短路電流增加了23.1％，電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了16.2%。
　　在氟摻雜TiO2的基礎(chǔ)上，我們采用了氮、氟離子共摻對TiO2進行改性，合成出了具有花瓣狀形貌的N,F-TiO2，實驗結(jié)果證實：氮、氟離子共摻Ti

4、O2與氟離子單摻TiO2相比，更能夠有效地提高TiO2的光電性能。氮、氟離子共摻雜之后，TiO2的平帶電壓由-0.60V改變?yōu)?0.35V，使得光生電子注入導(dǎo)帶的驅(qū)動力增加，提高了由染料注入導(dǎo)帶的電子注入量，電子快速注入的同時也降低了注入電子與染料陽離子或I3-的復(fù)合幾率；拓寬了TiO2在可見光區(qū)的吸收范圍，提高了對可見光的利用率；花瓣狀形貌的N,F-TiO2作為光散射層，增強了光陽極薄膜對太陽光的捕獲率從而增強了光電流。最終使得N,F

5、摻雜TiO2光陽極電池的短路電流達到21.84mA cm-2，和空白電池相比，光電流提高了52%，電池效率提升了22%。
　　YbF3-Ho與TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極能夠增加電池對近紅外光的利用，稀土上轉(zhuǎn)換核殼結(jié)構(gòu)(YbF3-Ho@TiO2)和稀土/TiO2異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)(YbF3-Ho/TiO2)能夠有效地解決上轉(zhuǎn)換納米材料因電子傳輸性能較差，在電池中容易充當復(fù)合中心，引發(fā)嚴重的界面電子復(fù)合反應(yīng)的問題。實驗結(jié)果表明：YbF3-Ho與

6、TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極不僅能夠增加電池對近紅外光的利用，YbF3-Ho/TiO2復(fù)合納米材料中的激發(fā)態(tài)電子能夠通過YbF3-Ho與TiO2間的異質(zhì)界面直接注入TiO2導(dǎo)帶，產(chǎn)生光電流；異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光陽極能夠促進光生電子與空穴的分離，抑制光生電子與空穴的反向復(fù)合過程，延長光生電子壽命；最終使得電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了21~23%，短路電流增加了17~19%。
　　與稀土上轉(zhuǎn)換材料復(fù)合TiO2相比，稀土離子修飾氟摻雜TiO2縮短了上轉(zhuǎn)換

7、粉體與敏化劑之間的距離，原位的將近紅外光轉(zhuǎn)換為可見光為敏化劑吸收，進一步提高了稀土上轉(zhuǎn)換材料與敏化劑之間的能量傳遞效率。制備了Er3+/Ho3+,Yb3+修飾氟摻雜TiO2，實驗結(jié)果表明：適量氟離子摻雜能夠增強TiO2中光生電子-空穴的分離；減少TiO2表面存在的大量羥基，增強稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光；平帶電位的負向移動增加了TiO2的費米能級與電解質(zhì)中氧化/還原電對間的能級差，提高了電池的開路電壓；雙層結(jié)構(gòu)的光陽極電池能夠促進薄膜內(nèi)光生電