界面碳膜鈍化的TiO2薄膜太陽(yáng)電池的光電性能研究.pdf

1、敏化太陽(yáng)電池是一種新型光電化學(xué)太陽(yáng)電池，因其具有低廉的成本，較高的光電轉(zhuǎn)換效率和簡(jiǎn)單的制備工藝而受到廣泛關(guān)注。常見(jiàn)的敏化太陽(yáng)電池主要包括染料敏化太陽(yáng)電池(DSSC)及在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池(QDSSC)。敏化電池的光陽(yáng)極薄膜不僅是敏化劑的吸附載體，同時(shí)也是電子的傳輸載體，是影響敏化太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。本文著重于對(duì)光陽(yáng)極材料的界面修飾研究，利用水熱法引入超薄碳膜對(duì)光陽(yáng)極納米結(jié)構(gòu)的界面進(jìn)行鈍化修飾，同時(shí)設(shè)計(jì)制備了

2、不同厚度，不同結(jié)構(gòu)的碳膜包覆的薄膜光陽(yáng)極，并對(duì)光生載流子的傳輸性能和光陽(yáng)極薄膜的光電化學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　(1)采用簡(jiǎn)單的水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃襯底上原位生長(zhǎng)尺寸均一的金紅石型TiO2納米棒，并以葡萄糖的水溶液為前驅(qū)體，通過(guò)第二次水熱方法在納米棒表面包覆超薄碳膜，然后吸附N719染料，制備基于碳膜包覆TiO2納米棒的DSSC電池。通過(guò)調(diào)節(jié)葡萄糖溶液的濃度達(dá)到對(duì)碳膜厚度的可控制備。研究還發(fā)現(xiàn)，碳膜的

3、厚度隨著葡萄糖溶液濃度的升高而呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。當(dāng)葡萄糖溶液濃度為30 g/L時(shí)，制備的相應(yīng)碳膜厚度在6 nm左右。此時(shí)光陽(yáng)極材料的光電轉(zhuǎn)換性能達(dá)到最優(yōu)，電極的光電轉(zhuǎn)換效率值高達(dá)5.14％，與未包覆碳膜電極的光電轉(zhuǎn)換效率(1.03％)相比提高了3.98倍。結(jié)果分析表明，首先適當(dāng)厚度碳膜的加入，可以有效地調(diào)控TiO2納米棒的表面，減少TiO2氧化物半導(dǎo)體與電解液界面的電子復(fù)合；其次包覆的碳膜提高了光陽(yáng)極薄膜的電子收集速率；另外碳膜還有利于

4、增加薄膜光陽(yáng)極材料對(duì)染料分子的吸附，從而提高電極對(duì)光的吸收性能。最優(yōu)的碳膜厚度為6 nm，碳膜厚度過(guò)高會(huì)阻礙染料分子對(duì)光的吸收，反而成為DSSC效率提升的不利因素。
　　(2)采用兩步水熱法并結(jié)合連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法(SILAR)制備了基于碳膜包覆TiO2納米棒的CdS敏化QDSSC。探究了超薄碳膜的厚度對(duì)電池光電性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明包覆碳膜之后的樣品光電轉(zhuǎn)換效率大大提升，并在碳膜厚度為6 nm時(shí)光電性能達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)電極的

5、效率值高達(dá)3.14％，是單純CdS敏化TiO2納米棒電極轉(zhuǎn)換效率的2.6倍。這種效率提升主要?dú)w因于碳膜的界面調(diào)控作用，降低載流子在界面的復(fù)合，并且碳膜增強(qiáng)了光陽(yáng)極對(duì)電子的收集速率。
　　(3)利用刮板法制備了TiO2納米顆粒多孔膜，然后采用水熱法在TiO2表面包覆超薄碳膜，沉積CdS量子點(diǎn)之后，進(jìn)行第二次水熱包覆碳膜制備TiO2@C@CdS@C雙層碳膜包覆光陽(yáng)極。另外也制備了TiO2@CdS，TiO2@CdS@C和TiO2@C@C

6、dS三種不同包覆方式的光陽(yáng)極材料作為對(duì)照組，并對(duì)其進(jìn)行光學(xué)性能和光電化學(xué)性能表征分析。結(jié)果表明TiO2@C@CdS@C光陽(yáng)極表現(xiàn)出較其它三種光陽(yáng)極更優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)化性能，這是因?yàn)殡p層碳膜的存在可以作為保護(hù)層，能夠有效避免量子點(diǎn)光腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。另外雙層碳膜能夠同時(shí)調(diào)控TiO2半導(dǎo)體和CdS量子點(diǎn)的表面性能，大大減少電子空穴復(fù)合，從而電池性能得以提高。
　　因此，超薄碳膜作為一種新的界面修飾材料為構(gòu)建高效率的DSSC和QDSSC電池結(jié)