通过在散射层加入介孔氧化硅SBA15材料提高染料敏化太阳能电池的性能.docVIP

通过在散射层加入介孔氧化硅（SBA-15）材料提高染料敏化太阳能电池的性能 摘要：为提高染料敏化太阳能电池（DSSC）的光转换效率，在P90TiO电极上的散射层内加入了表面改性的分子筛材料（记为m-SBA-15）。实验还发现在光电极中加入少量TiO纳米棒（Tnr）后染料敏化太阳能电池的性能有更大提高。我们还发现加入少量TiO纳米棒有m-SBA-15散射层的复合P90-Tnr TiO光电极表现出对N3染料的最大吸附（约为12.09x10mol?cm），而且对波长为400nm—800nm的光呈现出更高的反射率。电化学性能最好的染料敏化太阳能电池由复合P90-Tnr TiO光电极构成，它的转换效率约为6.94%，短路电流密度Jsc为15.63mA?cm，开路电压Voc为0.712V，在100mW?cm的照射下火的了0.62的填充因子。此次研究表明加入少量TiO纳米棒可增强电子的输运性质，表明在散射层加入大尺寸SBA-15氧化硅因为散射效应能显著增强光吸收同时保持较高的染料吸附。 引言 自ORegan和Gratzel报道了对于染料敏化太阳能电池相对较高的光-能转换系数约为10—11%以来，染料敏化太阳能电池已成为最具前途的第三代太阳能电池之一。染料敏化太阳能电池有成本低，易大规模生产制备设备简单和相对较高的能量转换效率等优点。染料敏化太阳能电池有以下三个主要部分构成：位于透明导电氧化物底层上的染料吸收纳米晶TiO膜、有机溶剂中的I/I氧化还原对和一个镀铂的TCO基底，即所谓的对电极（CE）。染料敏化太阳能电池的原理是基于染料处于光激发状态发射电子到TiO得导带。被氧化的染料材料进而在电解质溶液中被I还原，生成的I离子在铂对电极上被还原成I（即I+2e→I）。纳米晶TiO表现出宽禁带半导体材料的性质（即锐钛矿3.2eV）。人们提出用各种无定形TiO制备多孔电极，例如纳米粒子、纳米管、纳米线和纳米纤维。用于制备TiO膜的市售P25TiO纳米粒因其纯度高、易获得、和相对较低的成本吸引了众多关注。 铂对电极用作阴极，他在I还原和电子传导方面起重要作用，在这些过程中Pt作为催化剂。性能适宜的对电极要求内阻小、原料成本低。用作对电极性能最好的材料是Pt，对于在厚度为2—100nm的膜内的I来说，它有优越的电化学活性。为获得I还原所需的催化性能铂的用量约为5—10μg?cm-2。 用经TiCl4处理过的TiO2纳米粒作为光电极来减少暗流并增大转换效率许多作者用掺有金属离子或金属氧化物的溶胶-凝胶法来制备TiO2阳极来提高染料敏化太阳能电池的能量转换效率。通过大量使用尺寸在300—400nm之间的大TiO2纳米颗粒，染料敏化太阳能电池的电化学性能得到大幅度提升。通过散射效应增加光吸收同时为燃料吸附保持大表面积是必须的。 此次研究中，用刮板法在FTO/玻璃上以P90TiO2纳米颗粒为基础制备多孔TiO2光电极制备好的TiO2电极接着在450℃下烧结30min。制得的纯P90TiO2电极、有m-SBA-15散射层的复合P90TiO2电极和有m-SBA-15散射层的复合P90-Tnr（1.5wt.%）TiO2电极的厚度分别为15.8、18.4和18.6μm。Pt对电极通过脉冲沉积法在FTO/玻璃基底上制得。不同构成的染料敏化太阳能电池的电化学性能。P90TiO2电极用线性扫描和电化学阻抗谱（EIS）进行了检测。还用紫外-可见光谱、BET和微波拉曼光谱测试了表面改性的SBA-15粉末的性质。对染料敏化太阳能电池中光电阳极对太阳光的吸收率也进行了测试和讨论。 实验 2.1制备SBA-15粉末、TiO2纳米棒和P90TiO2电极 介孔SBA-15(氧化硅)粉末通过用三嵌段共聚物和用作二氧化硅源的四乙氧硅烷（TEOS）制得。将10g三嵌段共聚物加入到300ml的2MHCl水溶液中并在50℃下搅拌2h。然后在溶液中逐步加入20g四乙氧硅烷（TEOS），并在50℃下搅拌2h。这样制得的溶胶在110℃下保持静止24h。然后将其过滤、用蒸馏水洗涤，在25℃下干燥24小时并且另外在110℃下干燥24h。这样制备好的试样在500℃下N2氛围中烧结6h。这样制得的SBA-15粉末进一步用四异丙醇钛（TTIP）改性。在搅拌30min的条件下，将适量的SBA-15粉末加入60wt.%的异丙醇钛中。再用去离子水和无水乙醇清洗数次。本文用m-SBA-15表示表面改性的SBA-15粉末。m-SBA-15粉末用扫描电子显微镜、BET、和微波拉曼光谱进行表征。TiO2纳米棒粉末通过水热法制备。适量的P90TiO2粉末分散于10M的NaOH溶液再转移到600ml特氟龙（聚四氟乙烯）衬里不锈钢高压釜中，加热反应釜到150℃维持24h。混合溶液冷却到室温之后，洗净沉淀的粉末并在真空炉中60℃下干燥