电沉积处理与染料敏化纳米薄膜太阳电池的优化

采用阳极氧化水解法对染料敏化纳米TiO₂薄膜太阳电池的光阳极进行不同方式的电沉积优化处理.借助x射线衍射仪对处理后的样品进行分析，通过超高分辨率场发射扫描电子显微镜对导电玻璃以及电沉积处理前后纳米多孔薄膜表面进行了粒径和形貌的扫描.染料敏化太阳电池实验测试结果表明，电沉积处理和修饰后可以明显提高光生电子的收集率，增大短路电流密度，提高电池效率. 关键词： 2')" href="#">纳米TiO₂ 染料敏化 电沉积 太阳电池     

TiCl4处理多孔薄膜对染料敏化太阳电池中电子传输特性影响研究

借助于强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术,研究了纳米TiO₂多孔薄膜在TiCl₄溶液处理后组装成的染料敏化太阳电池(DSC)中电子传输和背反应动力学特性. 研究表明:纳米TiO₂多孔薄膜经TiCl₄溶液处理后,电池中暗电流减小,电子寿命τ_n明显延长,电子传输时间τ_d缩短,电子有效扩散系数D_n增大,电子扩散长度L_n值升高,入射单色光子/电子转化效率η_IPCE增加,光生电荷量Q_oc显著增加. 文章从微观层面上研究了TiCl₄溶液处理纳米TiO₂多孔薄膜对DSC内部电子的产生、传输和复合过程的影响,从而很好地解释了电池光伏性能随TiCl₄溶液处理的变化关系. 关键词： 4')" href="#">TiCl₄ 电子传输 染料敏化 太阳电池     

电极表面改性对染料敏化太阳电池性能影响的机理研究

采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术,从染料敏化太阳电池(DSC)电子传输和复合角度对比了不同光强下导电玻璃表面阻挡层及TiO₂薄膜优化使电池性能改善的内在原因.阻挡层的引入和TiO₂薄膜的优化均通过电沉积法实现.结果表明,对多孔薄膜电极的不同改性均提高了电池的短路电流J_sc和效率η,但对电子传输和复合过程的作用机理有所不同:前者延长了电子寿命τ _n,但电子传输时间τ _d变化不明显;而后者则主要是延长τ _n的同时也缩短了τ _d. 关键词： 染料敏化 太阳电池 调制光电流谱/调制光电压谱 电子输运     

负偏压作用下染料敏化太阳电池界面及光电性能研究

太阳电池组件由于局部电压不匹配,其中部分电池可能较长时间工作在负偏压状态下,从而影响电池光电性能.借助拉曼光谱、电化学阻抗谱和入射单色光量子效率(IPCE)等测试手段,研究长期负偏压作用下染料敏化太阳电池光电性能的变化及其影响机理.拉曼光谱研究结果表明:电池在1000 h负偏压作用下,电解质中阳离子(Li⁺)会向光阳极(TiO₂电极)移动并嵌入TiO₂薄膜中;长期负偏压作用还会致使TiO₂/电解质界面阻抗增大和IPCE下降,导致电池开路电压升高和短路电流减小.通过加入苯并咪唑(BI)添加剂,经1000 h负偏压后电池的拉曼光谱实验表明,BI能在一定程度阻碍Li⁺的嵌入,电池具有较好的长期稳定性.不同负偏压下的老化实验进一步表明,通过加入添加剂能够使电池在长期负偏压下保持较好的稳定性. 关键词： 染料敏化 太阳电池 组件 负偏压     

纳米TiO2叶片状阵列电极的制备及其在染料敏化太阳电池中电子的输运性能

在低温条件下采用定向刻蚀技术, 对金属Ti片表面用H₂O₂溶液进行刻蚀氧化, 制备了垂直生长的纳米TiO₂叶片状阵列薄膜电极. 通过X射线衍射分析表明, 纳米TiO₂叶片状阵列薄膜经500 ℃下烧结1 h后, 从无定型转变为锐钛矿相. 场发射扫描电子显微镜观察表明: 在80 ℃下的H₂O₂溶液刻蚀氧化, 经1 d制备得到的是Ti片表面垂直生长的叶片状阵列, 其形貌均匀且完整地 关键词： 2')" href="#">纳米TiO₂ 叶片状阵列电极 染料敏化太阳电池 电子传输     

TiO2颗粒尺寸对染料敏化太阳电池内电子输运特性影响研究

采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)研究了染料敏化太阳电池(DSC)内部电子传输和背反应动力学特性.在纳米TiO₂薄膜厚度相同的情况下,借助于IMPS/IMVS测量了由3种不同TiO₂颗粒尺寸大小薄膜制备出DSC的电荷传输特征参数值.IMPS/IMVS理论模型拟合实验测量数据的结果表明：在不同入射光强下,随着颗粒尺寸的增大,电子扩散系数(D_n)增大,而电子寿命(τ_n 关键词： 染料敏化 太阳电池 IMPS/IMVS 电子传输     

染料敏化太阳电池中TiO2颗粒界面接触对电子输运影响的研究

采用溶胶-凝胶法制备TiO₂浆料,通过丝网印刷技术印刷和不同温度曲线烧结TiO₂薄膜,并应用于染料敏化太阳电池(DSC).高分辨透射电子显微镜发现,低温下多孔薄膜中TiO₂颗粒之间呈现点接触,510 ℃烧结后TiO₂颗粒间由点接触变为面接触,近邻颗粒数增多,接触面积增大.同时采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术,研究了不同颗粒接触方式和接触面积对电子传输与复合的影响.结果表明:在420- 510 ℃之间,随着烧结温度提高,颗粒接触面积增大,电子传输时间(τ _d)缩短,电子有效扩散长度(L _n)增大,暗电流减小;当烧结温度达到550 ℃时,薄膜比表面积减小,多孔结构坍塌,表面态密度增大,电子传输时间(τ _d)增大.电池光伏特性研究表明:在480-510 ℃范围内烧结得到的TiO₂薄膜,电池短路电流密度(J_sc)最佳,电池效率(η)最好. 关键词： 界面接触 电子输运 暗电流 染料敏化太阳电池     

锐钛矿相TiO2纳米管的制备及其染料敏化太阳电池

以商用金红石相TiO₂粉末为原料,通过在碱性溶液中150℃水热48h的方法合成TiO₂纳米管.采用SEM,TEM,XRD分析手段对TiO₂纳米管的形貌和结构演变进行了表征.制成的TiO₂纳米管与TritonX-100,乙酰丙酮混合后,通过丝网印刷的方法涂敷到ITO导电玻璃衬底上,并且在450℃下烧结30min后得到可应用于染料敏化太阳电池的多孔光阳极.将此光阳极浸泡于N719染料敏化后,与镀铂对电极组装电池,两者之间灌 关键词： 2纳米管')" href="#">TiO₂纳米管 染料敏化太阳电池 水热法     

染料敏化纳米ZnO薄膜太阳电池机理初探

讨论利用ZnO代替TiO2作为光阳极制作染料敏化薄膜太阳电池的可行性.使用LSV法，IR光谱和UV-vis光谱探讨了电池的工作机理和性能，并与染料敏化纳米TiO2薄膜太阳电池作了比较.结果发现ZnO薄膜表面与染料的吸附键合力太弱是导致ZnO太阳电池效率低下的主要原因. 关键词： 纳米ZnO 太阳电池 染料敏化 量子效率     

纳米TiO2颗粒/亚微米球多层结构薄膜内电荷传输性能研究

本文主要利用TiO₂亚微米球较强的光散射特性设计了纳米TiO₂颗粒/亚微米球多层结构光阳极, 并借助强度调制光电流谱(intensity-modulated photocurrent spectroscopy)、电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy)和入射单色光光电转化效率(incident photon-to-current conversion efficiency), 研究亚微米球的引入对多层结构薄膜内缺陷态、电子传输时间、电子收集效率和界面电荷转移性能的影响. 强度调制光电流谱反映出亚微米球表面缺陷态少, 但其颗粒间接触不紧密, 导致在接触部位形成了势垒, 阻碍了电子的传输, 导致电子传输时间增长. 电化学阻抗谱结果表明不同多层结构电池界面复合无明显差别, 同时底层采用纳米TiO₂ 透明薄膜结构的电池, 其光利用率要明显高于底层采用亚微米球薄膜结构的电池, TiO₂费米能级电子填充水平也相对增大, 使得电池的光电转换效率得到提升. 多层结构复合薄膜电荷传输和光伏特性的研究, 为高效染料敏化太阳电池光阳极设计提供了实验基础.     

Influence of TiO2 nanotube morphology and TiCl4 treatment on the charge transfer in dye-sensitized solar cells

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) were fabricated using TiO₂ nanoparticles (NPs), TiO₂ nanotube arrays (NTAs), and surface-modified NTAs with a TiCl₄ treatment. The photovoltaic efficiencies of the DSSCs using TiO₂ NP, NTA, and TiCl₄-treated NTA electrodes are 4.25, 4.74, and 7.47 %, respectively. The highest performance was observed with a TiCl₄-treated TiO₂ NTA photoanode, although in the case of the latter two electrodes, the amounts of N719 dye adsorbed were similar and 68 % of that of the NP electrode. Electrochemical impedance measurements show that the overall resistance, including the charge–transfer resistance, was smaller with NTA morphologies than with NP morphologies. We suggest that a different electron transfer mechanism along the one-dimensional nanostructure of the TiO₂ NTAs contributes to the smaller charge–transfer resistance, resulting in a higher short circuit current (J _sc), even at lower dye adsorption. Furthermore, the TiCl₄-treated NTAs showed even smaller charge–transfer resistance, resulting in the highest J _sc value, because the downward shift in the conduction band edge improves the electron injection efficiency from the excited dye into the TiCl₄-treated TiO₂ electrodes.     

Nanocoral architecture of TiO2 by hydrothermal process: Synthesis and characterization

TiO₂ thin films with novel nanocoral-like morphology were successfully grown directly onto the glass and conducting fluorine doped tin oxide coated glass substrates via multi-step hydrothermal (MSH) process. Titanium chloroalkoxide [TiCl₂ (OEt)₂ (HOEt)₂)] precursor was used in an aqueous saturated NaCl in presence of 1 mM HCl catalyst and HNO₃ peptizer at 120 °C. Reaction time varied from 3 to 12 h. The morphological features and physical properties of TiO₂ films were investigated by field emission scanning electron microscopy, high resolution transmission electron microscopy, X-ray diffraction, Fourier transform IR spectroscopy, Fourier transform Raman spectroscopy, room temperature photoluminescence spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. The surface morphology revealed the formation of TiO₂ corals having nanosized (30-40 nm) polyps. The photoelectrochemical properties of the TiO₂ nanocoral electrodes were investigated in 0.1 M NaOH electrolyte under UV illumination. The results presented in this study highlight two major findings: (i) ability to tune the photoelectrochemical response and photoconversion efficiency via controlled thickness of TiO₂ nanocorals and (ii) the substantial increase in short circuit photocurrent (J_sc) due to the improved charge transport through TiO₂ nanocorals prepared via MSH process. This approach would be quite useful for the fabrication of nanocoral architecture that finds key applications in photocatalysis, dye-sensitized solar cells and hybrid solar cells.     

Chemical reactions in TiO2/SnO2/TiCl4 hybrid electrodes and their impacts to power conversion efficiency of dye-sensitized solar cells

This study examined the applicability of TiO₂/SnO₂/TiCl₄ hybrid electrodes in dye-sensitized solar cells (DSSCs) by combining chemical modeling with experimentation. The interfacial chemical reactions in a TiO₂/SnO₂/TiCl₄ system were simulated using a thermochemistry software package, which led to the design and testing of hybrid working electrodes. Chemical thermodynamic modeling proved that TiCl₄ is an effective agent in removing Tiⁿ⁺ (n<4) and Sn^m+ (m<4) ion impurities from dry-mixed TiO₂/SnO₂ composite particles. Our results demonstrate that the power conversion efficiency of DSSC with a TiO₂/SnO₂/TiCl₄ hybrid electrode exceeds that of the conventional DSSC with a TiO₂ electrode due to the effects of light-scattering and the formation of additional absorbance (SnCl₂), which is an unexpected side effect of TiCl₄ treatment enabling the absorption of visible light. The proposed approach is ideally suited to establishing relationships between chemistry theory and the structure and performance of advanced DSSCs as well as photo-electro-chemical systems.     

TiO2 Nanoparticles Produced by Electric-Discharge-Nanofluid-Process as Photoelectrode of DSSC

利用自制TiO₂纳米粒子研究敏化染敏太阳能电池. 使用自制的旋转涂布加热平台装置将产出的TiO₂粒子均匀的涂布在ITO导电玻璃上形成薄膜,浸泡于N-719 染料中12小时以上作为DSSCs的光电极 元件,最后完成染料敏化太阳能电池的系统组装并进行光电转换效率测量. 实验结果表明,放电过程产出的TiO₂纳米粒子具有锐钛矿晶相,粒径尺寸可控制在20～70 nm,粒子表面电位约为-30 mV,是稳定的纳米悬浮夜. 添加0.5 mL 的Triton X-100在导电玻璃表面上,利用的旋转涂布加热到22 oC可以制得厚度均匀缜密的薄膜结构,不但粒子不受到热处理效应与介面活性剂的影响而发生晶相改变,并且薄膜也有良好的染料吸附效果. 较厚二氧化钛薄膜的光电极会提升敏化染敏太阳能电池的效率. 实验结果得知,以15 μm的二氧化钛薄膜组装DSSCs测得最高效率2.15%,但是当薄膜厚度超过15 μm 则会导致开路电压与充填因子逐渐下降,光电转换效率变差.     

金属氧化物修饰对介孔纳米TiO2电极的染料敏化太阳能电池电化学性能的影响

将介孔TiO₂纳米粒子(m-TiO₂)多孔膜电极浸入相应的金属硝酸盐的500 oC热处理修饰金属氧化物(如Mg、ZnO、Al₂O₃或NiO).结果表明,金属氧化物修饰均可形成能垒对m-TiO₂膜电极的界面电荷传输过程产生影响,但外加偏压下其膜内电子传输和界面电荷复合均明显依赖于修饰氧化物的种类及其存在形态. 金属氧化物修饰的膜电极在电子传输和界面复合方面的变化与DSSCs的电流-电压特性曲线的变化规律具有明显的相关性,可不同程度地提高电池的光电压,而MgO、ZnO和NiO修饰的电池效率分别提高了23%、13%和6%. 上述结果表明调控电池的本征参数可以改善TiO₂-基DSSCs的性能.     

关联染料敏化太阳能电池薄膜厚度与光伏性能的漂移-扩散数值模拟

建立漂移-扩散模型来模拟敏化电池的电荷分离过程.该模型能够计算在稳态和非稳态条件下光生电子的多步受限扩散及其与电子受体的复合反应.通过对电池的电流-电压曲线的数值模拟,优化了电池的薄膜厚度并获得了最大的光电转换效率.发现膜厚的增加降低了电荷收集效率,但有利于提高电子注入流率,光电流的输出正是受控于这两个因素.复合速率常数严重影响了膜厚优化的结果.较厚的薄膜适合于电子复合被充分抑制的电池,而较薄的薄膜有利于降低快复合电池的电子复合损失.在开路条件下,膜厚的提高会减小电子浓度,在造成光电压的降低的同时会提高电子寿命.     

n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-Cu2ZnSnS4太阳能电池光伏特性的分析

具有高光吸收系数的半导体Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)薄膜是一种新型太阳能电池材料. 本文对n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS结构的CZTS薄膜太阳能电池进行分析, 讨论CZTS薄膜的掺杂浓度、厚度、缺陷态和CdS薄膜的掺杂浓度、 厚度对太阳能电池转换效率的影响以及太阳能电池的温度特性. 分析表明, CZTS薄膜作为太阳能电池的主要光吸收层, CZTS薄膜的掺杂浓度和厚度的取值对太阳能电池的转换效率有显著影响, CZTS薄膜结构缺陷态的存在会导致太阳能电池性能的下降. CdS缓冲层的掺杂浓度、厚度对太阳能电池光伏特性的影响较小. 经结构参数优化得到的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS薄膜太阳能电池的最佳光 伏特性为开路电压1.127 V、短路电流密度27.39 mA/cm²、填充因子87.5%、 转换效率27.02%,转换效率温度系数为-0.14%/K.     

Growth of Sn(O,S)2 buffer layers and its application to Cu(In,Ga)Se2 solar cells

Sn-based thin films as new buffer layer for Cd-free Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) solar cells were developed. The Sn(O,S)₂ films were formed on CIGS substrates by chemical bath deposition from an alkaline ammonia solution by reacting tin(IV) chloride with thiourea. Optimization of the growth process allowed the smooth and conformal coverage of the films on the CIGS substrates with a thickness of 20 nm that was a self-limited thickness in the chemical bath deposition process. XPS analysis revealed that the as-deposited films contained Sn–O, Sn–OH, and Sn–S bondings and the ratio of Sn–S bonding to Sn–O bonding was 0.3. The CIGS solar cell fabricated with a 20-nm thick Sn(O,S)₂ buffer layer had the best efficiency of 11.5% without AR coating. The open circuit voltage, short circuit current, and fill factor were 0.55 V, 34.4 mA/cm², and FF = 0.61, respectively. The open circuit voltage and fill factor were low compared to the conventional CIGS solar cell with a 50-nm thick CdS buffer due to too thin Sn(O,S)₂ buffer layer.