界面碳膜鈍化的TiO2薄膜太陽電池的光電性能研究.pdf

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

2、不同厚度，不同結(jié)構(gòu)的碳膜包覆的薄膜光陽極，并對光生載流子的傳輸性能和光陽極薄膜的光電化學(xué)性能進行了深入研究。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　(1)采用簡單的水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃襯底上原位生長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。通過調(diào)節(jié)葡萄糖溶液的濃度達(dá)到對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。當(dāng)葡萄糖溶液濃度為30 g/L時，制備的相應(yīng)碳膜厚度在6 nm左右。此時光陽極材料的光電轉(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、增加薄膜光陽極材料對染料分子的吸附，從而提高電極對光的吸收性能。最優(yōu)的碳膜厚度為6 nm，碳膜厚度過高會阻礙染料分子對光的吸收，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電池光電性能的影響，實驗結(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時光電性能達(dá)到最優(yōu)，此時電極的

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。這種效率提升主要歸因于碳膜的界面調(diào)控作用，降低載流子在界面的復(fù)合，并且碳膜增強了光陽極對電子的收集速率。
　　(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量子點之后，進行第二次水熱包覆碳膜制備TiO2@C@CdS@C雙層碳膜包覆光陽極。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極材料作為對照組，并對其進行光學(xué)性能和光電化學(xué)性能表征分析。結(jié)果表明TiO2@C@CdS@C光陽極表現(xiàn)出較其它三種光陽極更優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)化性能，這是因為雙層碳膜的存在可以作為保護層，能夠有效避免量子點光腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。另外雙層碳膜能夠同時調(diào)控TiO2半導(dǎo)體和CdS量子點的表面性能，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)