TiO2纳米晶空洞光阳极在染料敏化太阳能电池中的光电增效性能研究

以含炭微球作为模板,制备了TiO₂纳米晶空洞光阳极用于染料敏化太阳能电池(DSSC),通过调整模板的添加量,实现了空洞数目在光阳极中的调控。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)分析了样品的形貌和结构。结果表明：基于TiO₂纳米晶空洞的DSSC,在标准太阳光强度(100mW/cm²)辐照下,最佳的短路电流密度(J_sc)可以达到18.31mA/cm²,开路电压(V_oc)为0.701V,填充因子(FF)为0.578,电池效率(PCE)达到7.4%,相比基于TiO₂纳米晶的DSSC 4.4%的电池效率,提高了68.18%,其中J_sc的显著提高是电池效率提升的主要因素。光散射、电子寿命的分析表明,适当的空洞结构可以增加光阳极对可见光的散射作用,通过可见光在空洞结构中的多次反射使染料能被多次激发产生光生电子,从而提升了光捕获效率和电子寿命,最终实现了DSSC性能的提高。     

Nb2O5包覆对TiO2纳米阵列/上转换发光复合结构柔性染料敏化太阳能电池性能的影响

采用水热法与旋涂法, 成功制备出基于钛网基底的TiO₂纳米线阵列/Yb-Er-F掺杂TiO₂上转换发光纳米粒子(TNWAs/YEF-TiO₂-UCNPs)复合结构光阳极, 并将其组装成柔性染料敏化太阳能电池(DSSC)。探讨了Yb-Er-F掺杂TiO₂上转换发光纳米粒子的光学性能对复合结构DSSC光电转换性能的影响, 在此基础上系统研究了不同NbCl₅浓度包覆对复合结构形貌和DSSCs性能的影响。结果表明：Yb-Er-F掺杂TiO₂上转换发光纳米粒子的引入可以增大光阳极的入射光利用范围, 但同时也会增加其内部的电子复合。通过Nb₂O₅纳米粒子层的包覆可以在半导体/电解液界面形成能量势垒, 增加复合阻抗R_rec, 抑制电子复合; 提高电子收集效率η_ec和光生电子寿命τ_e, 进一步增大短路电流和开路电位, 最终提高电池的光电转换效率。采用20 mmol/L的NbCl₅乙醇溶液旋涂制备的Nb₂O₅@TNWAs/YEF-TiO₂-UCNPs复合结构柔性DSSC获得了最佳的光电转换效率(6.89%), 比未经包覆的TNWAs/YEF-TiO₂-UCNPs复合结构提升了24.3%。     

CdS/TiO2纳米棒阵列复合材料的制备及其光电化学特性

以水热法在氟掺杂的氧化锡透明导电玻璃(FTO)上制备的TiO₂纳米棒阵列为衬底, 通过连续化学水浴沉积(S-CBD)法将CdS量子点 (QDs)沉积在TiO₂纳米棒上, 形成CdS/TiO₂阵列复合材料。分别利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 X射线衍射(XRD)和紫外可见光谱(UV-vis)等对样品的形貌、 晶型以及光吸收性能进行了表征。结果表明, TiO₂纳米棒阵列长度约为2.9 μm, CdS QDs的尺寸大约在5~9 nm。随着沉积层数的增加, CdS QDs的厚度增加, 同时伴随着光吸收边的红移。通过电流-电压特性曲线对其光电流-电压特性进行了分析, 发现光电流和光电转换效率均呈现出先增大后减小的规律。100 mW/cm²的光照下, 在S-CBD为7层时, 光电流和开路电压最大值分别达到2.49 mA·cm^-2和1.10 V, 而电池的效率达到最大值1.91%。     

金红石型TiO2纳米棒的制备及其在染料敏化太阳电池中的应用

采用十二烷基苯磺酸钠表面活性剂(DBS)辅助水热法合成TiO2纳米材料,XRD和TEM测试表明,不含DBS的TiO2溶胶水热处理后得到10~20nm锐钛矿型TiO2纳米颗粒;添加DBS后,生成了金红石型TiO2纳米棒.虽然金红石型TiO2纳米棒光电极的染料吸附性能和光电性能均不如锐钛矿型TiO2纳米颗粒光电极,但金红石型TiO2纳米棒漫反射性能较高.可用其制备具有光电转换性能的反射层,这种新型反射层使染料敏化太阳能电池光电转换效率提高了26.14%,而含Ti-nanoxide 300大颗粒TiO2构成的反射层仅能使电池光电转换效率提高11.04%.这种差异的根源在于金红石型TiO2纳米棒不仅具有散射光能力,其本身还可吸附染料进行光电转换.随着反射层厚度的增加,电池短路电流逐步提高.而不吸附染料且无光电转换能力的Ti-nanoxide 300传统反射层则没有这种功能.     

基于介孔TiO2/石墨烯修饰的TiO2纳米线光阳极的染料敏化太阳能电池

本工作制作了基于介孔TiO₂/石墨烯修饰的TiO₂纳米线光阳极的染料敏化太阳能电池,并进行表征。光阳极结合了介孔TiO₂的高染料吸附率,TiO₂纳米线的高载流子传导率和石墨烯的高电子收获能力等优点,使器件光电转换效率有了很大的提高。制作出的染料敏化太阳能电池光电转换效率高达7.58%,比纯纳米线制作的电池约提高了1.5倍,在拥有相似一维结构的染料敏化太阳能电池中具有较大优势。     

基于纳米多孔钛酸锂结构的染料敏化太阳电池复合光阳极研究

本研究探索了具有良好导电性能的多孔钛酸锂结构对传统氧化钛纳米晶光阳极的增强效果。以钛酸四丁酯、氢氧化锂为源, 采用溶胶-凝胶结合溶剂热反应和高温烧结方法, 制备了具有多孔结构的尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂纳米粉体; 在表征其结晶性、微观形貌及孔结构的基础上, 将其与TiO₂纳米晶浆料复合, 制备复合光阳极, 并详细考察了钛酸锂掺量、结晶性和孔结构等对电池光电转换性能的影响规律。结果表明: 随热处理温度升高, Li₄Ti₅O₁₂结晶性增强, 晶粒尺寸明显增大, 比表面积下降。掺入Li₄Ti₅O₁₂粉体可以有效提高光阳极膜的染料负载量, 降低TiO₂/染料分子/电解液界面的电子传输阻抗, 从而明显提高复合光阳极的光电流密度(J_sc=13.91 mA/cm²)和开路电压(V_oc =0.8 V)。Li₄Ti₅O₁₂含量为1wt%的复合光阳极电池光电转化效率最好, 达到7.011%, 比纯TiO₂电池(效率: 5.384%)提高30%。     

TiO2空心微球在NaYF4∶Yb3+,Er3+/商业TiO2染料敏化太阳能电池中的应用

以TiCl₃为钛源,水热法制备高散射性能的锐钛矿TiO₂空心微球。以商业TiO₂(P25)/NaYF₄∶Yb~(³⁺),Er³⁺混合材料为底层薄膜,TiO₂空心微球为反射层组成双层结构光阳极薄膜,优化了太阳能电池性能。结果表明:新型结构的太阳能电池短路光电流(J_sc=16.81mA/cm²)、开路光电压(V_oc=0.78V)、填充因子(FF=0.66)和光电转化效率(η=8.65%),其光电转化效率与纯P25(6.70%)光阳极和P25/NaYF₄∶Yb³⁺,Er³⁺(7.35%)光阳极相比较分别提升了29%和18%。     

基于二氧化钛纳米管的染料敏化电池光阳极研究

本文报道了一种基于二氧化钛(TiO₂)纳米管的染料敏化太阳能电池。用二次阳极氧化法在钛箔上生长出高度有序的TiO₂纳米管薄膜, 然后将完整剥落的纳米管薄膜结合TiO₂纳米颗粒的浆料转移到掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃(FTO)基底上, 从而获得一种特殊的染料敏化光阳极。对比了不同长度的TiO₂纳米管的电池性能, 发现经TiCl₄处理长度为32.8 μm的TiO₂纳米管对应的电池表现较好的光电转换效率, 达到4.15%。通过X射线衍射分析了高温退火对纳米管晶化结构的影响。电化学阻抗谱分析表明: 光电子传输对光阳极纳米管层厚依赖性强, 随着纳米管长度的增长, 界面电阻呈明显的减小, 这一结果对于理解和进一步改善染料敏化电池光阳极内部电子输运过程具有重要意义。     

石墨烯量子点/CdS/CdSe共敏化太阳能电池

以三维锐钛矿TiO₂微球为上层光散射层材料, 以商业纳米TiO₂为下层连接材料, 采用刮刀法制备了一种新颖的双层TiO₂薄膜, 并应用于量子点敏化太阳能电池(QDSSC)。其中, 石墨烯量子点(GQDs)采用滴液法引入, CdS/CdSe量子点采用连续离子层吸附法(SILAR)制备。采用场发射扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、紫外-可见漫反射光谱及荧光光谱对样品进行表征。实验还制备了CdS/CdSe量子点敏化及石墨烯量子点/CdS/CdSe共敏化太阳能电池, 并研究了石墨烯量子点及CdS不同敏化周期及对电池性能影响。研究结果表明, 石墨烯量子点及CdS不同敏化周期对薄膜的光学性质、电子传输及载流子复合均有较大影响。优选条件下, TiO₂/QGDs/CdS(4)/CdSe电池的光电转换效率为1.24%, 光电流密度为9.47 mA/cm², 显著高于TiO₂/CdS(4)/CdSe电池的这些参数(0.59%与6.22 mA/cm²)。这主要是由于TiO₂表层吸附石墨烯量子点后增强了电子的传输, 减少了载流子的复合。     

基于金属网的叠层染料敏化太阳能电池

本文提出了一种新型染料敏化太阳能电池的叠层结构设计, 其中光阳极由导电玻璃上的第一层TiO₂纳米薄膜和不锈钢网上的第二层TiO₂纳米薄膜组成, 不同染料间的负反应相比混染共敏方式少. 此结构中引入的金属网, 减少了导电玻璃的使用片数, 从而减少入射光的损失; 同时也解决了两层不同TiO₂薄膜间的电连接性问题, 并提高电子传输和收集效率. 此叠层电池的光电转换效率达1.96%, 短路电流为8.4mA/cm², 相比相同电池厚度的单层电池, 效率提高约62%. 通过阻抗谱分析了叠层电池内部的电子传输, 给出叠层电池的等效电路图. 此外, 还发现电池厚度的增加及电子在不锈钢网表面的复合对光电性能有显著影响.     

Double-layered TiO2 cavity/nanoparticle photoelectrodes for efficient dye-sensitized solar cells

TiO₂ nanoparticles (NPs) in the size of ~25 nm, namely P25, are very common material as the electron collecting layer in dye-sensitized solar cells (DSSCs). However, the light-scattering improvement of TiO₂ NP photoelectrodes is still a challenge. Here, we built TiO₂ cavities on the top of the TiO₂ NP layer by using carbonaceous microspheres as the template, forming the TiO₂ cavity/nanoparticle (C/NP) photoelectrode for the application in DSSCs. The cavity amount in the TiO₂ C/NP photoelectrode was controlled by adjusting the weight ratio of carbonaceous microspheres. SEM results confirm the successful formation of the double-layered TiO₂ C/NP electrode. J‒V tests show that the optimized TiO₂ C/NP electrode prepared with 25 wt.% carbonaceous microspheres contributes to remarkable improvement of the short-circuit current density (J_sc) and the power conversion efficiency (PCE). The best photovoltaic performance solar cell with the PCE of 9.08% is achieved with the optimized TiO₂ C/NP photoelectrode, which is over 98% higher than that of the TiO₂ NP photoelectrode. Further investigations of UV-vis DRS, IPCE, OCVD, and EIS demonstrate that the competition between light scattering effect and charges recombination in this TiO₂ C/NP photoelectrode is responsible for the PCE enhancement.     

Ag2Se量子点共敏化固态染料敏化太阳能电池光电性能研究

采用水相共沉积法制备Ag₂Se量子点(QDs), 并与染料共敏化制备固态染料敏化太阳能电池(DSSCs)。考察了Ag₂Se量子点不同敏化方式(TiO₂/N719/QDs, TiO₂/QDs/N719)及敏化时间(0~5 h)对DSSCs性能的影响。通过透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光谱图(UV-Vis)对Ag₂Se量子点结构及光学性质进行了表征; 采用光调制光电流/电压谱(IMPS/VS)以及交流阻抗谱(EIS)对器件中载流子传输过程进行了研究。TiO₂/QDs/N719的电池器件比TiO₂/ N719/QDs具有更高的单色光量子转化效率(IPCE)及光电转化效率, 这是由于TiO₂/QDs/N719可以吸附更多的量子点和染料。随着Ag₂Se量子点敏化时间的延长, 光电转化效率先提高后降低, 最高达到3.97%。Ag₂Se量子点在器件中起到了阻挡层作用, 可以促进电子传输, 抑制电子-空穴复合。而随着量子点敏化时间超过2 h, 电子陷入陷阱的几率增加, 导致器件的光伏性能下降。     

TiO_2-GO的制备及TiO_2-GO/环氧树脂涂层的抗腐蚀性能

为了提高环氧树脂涂层的抗腐蚀性能,首先,利用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO)。然后,将3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性纳米TiO2负载在GO表面,制备了改性纳米TiO2与GO的复合颗粒(TiO2-GO),通过FTIR、XRD和SEM对TiO2-GO进行了表征。最后,将TiO2-GO分散于环氧树脂中,分别制备出TiO2-GO含量为1wt%、2wt%和3wt%的TiO2-GO/环氧树脂涂层及纯环氧树脂涂层,通过SEM观察了涂层断面形貌,利用电化学工作站和高温高压抗腐蚀测试表征了涂层的防腐蚀性能。结果表明:纳米TiO2通过化学键与GO结合在一起,将TiO2-GO分散于环氧树脂涂层中可以显著提高环氧树脂涂层的抗腐蚀性能。研究为通过添加GO的方法改善环氧树脂涂层的防腐性能提供了参考。     

中空TiO2微球的制备及其对聚丙烯酸酯薄膜保温性能的影响

以阳离子PS微球为模板, 钛酸四丁酯为钛源, 氨水为催化剂制备中空TiO₂微球, 通过物理共混法将中空TiO₂微球引入到聚丙烯酸酯薄膜中, 考察了中空TiO₂微球的空心粒径及用量对复合薄膜光反射性、导热系数及力学性能的影响。结果表明: 中空TiO₂微球的引入可显著提升聚丙烯酸酯薄膜的各项性能, 中空TiO₂微球的空心粒径和用量对复合薄膜的性能有不同程度的影响, 随着中空TiO₂微球空心粒径和用量的增加, 复合薄膜的性能基本呈现先提升后降低的趋势, 其中当中空TiO₂微球空心粒径为300 nm、用量为1%时, 所制备的复合薄膜保温性能和力学性能最优。     

硫化亚锡敏化纳晶TiO2膜的制备及光电性能研究

采用简单的离子交换沉积法制备了SnS敏化的纳晶TiO₂光阳极。通过SEM、XRD、UV-Vis等手段对光阳极的表面形貌, 晶态结构, 紫外-可见吸收和散射性能进行表征。并分别以聚苯胺和铂为催化剂制备对电极, 以含碘氧化还原电对和硫氧化还原电对溶液为电解质, 组装SnS敏化太阳能电池, 对其光电性能进行研究。通过比较不同光阳极、电解质和对电极的组合, 发现用光阳极为离子交换沉积9次SnS的纳晶TiO₂膜, 对电极为聚苯胺不锈钢网压片膜, 电解质为含硫氧化还原电对溶液组装的太阳能电池光电性能最佳, 其短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率分别达到4.59 mA/cm²、0.547 V、0.505和1.27%。     

金红石二氧化钛纳米片的性质及其光催化活性

采用溶胶-凝胶、质子交换和层状剥离的方法, 制备出金红石TiO₂纳米片。利用X射线电子衍射谱(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X光电子能谱(XPS)的价带谱和荧光光谱(PL)等对样品进行了表征, 研究了光生载流子的转移过程。结果证明: 金红石TiO₂纳米片具有较大的比表面积(185.7 m²/g), 厚度约5 nm, 与金红石TiO₂样品相比, 金红石TiO₂纳米片的禁带宽度增加, 氧化还原能力增强; 此外, 纳米片结构能够促使光生载流子快速转移到纳米片的表面并产生有效分离, 阻止了光生电子和空穴的复合, 提高了光催化反应中光生载流子的利用率。金红石纳米片的这些特性导致其具有较高的光催化活性, 紫外光催化降解对氯苯酚的实验表明: 金红石TiO₂纳米片的光催化活性高于金红石TiO₂和锐钛矿TiO₂样品。