电泳法制备的致密氧化锡薄膜及其在高稳定性钙钛矿太阳能电池中的应用

在平面型钙钛矿太阳能电池中常采用SnO₂作为电子传输层材料,相应的SnO₂薄膜常采用溶液旋涂法制备。但是由于前驱液中的纳米颗粒可能会发生部分团聚、基底和溶液难以完全避免灰尘等杂质颗粒混入,且最佳的SnO₂电子传输层的厚度通常仅有约20 nm,所以这种方法制备的电子传输层难以保证严格致密和无纳米针孔。在本工作中,我们报道了一种电泳沉积制备致密SnO₂薄膜的方法,并用其有效地提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和工况稳定性。通过电泳法,表面带负电荷的SnO₂纳米颗粒在电场的作用下沉积到氧化铟锡(ITO)阳极表面,这种方法得到的薄膜比旋涂法制备的更为致密。将其应用于n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池中,能够使得暗电流降低并抑制载流子的非辐射复合,从而提高电池的短路电流和开路电压,进而实现更高的光电转换效率(从18.17%提高到19.52%),且能消除迟滞效应。更重要的是,长期工况稳定性测试表明基于电泳-旋涂法制备的器件在1个太阳的光照下、最大功率点处连续工作960 h后,仍然能够保持71%的初始效率;然而基于旋涂法制备的器件在工作100 h后即降低到初始效率的70%。本工作提供了一种全新的SnO₂电子传输层的制备方法,显著地提高了器件性能和工况稳定性,后续有望应用于制备大面积器件和电池模组。     

CdS量子点敏化ZnO纳米棒阵列电极的制备和光电化学性能

采用连续式离子层吸附与反应法制备了CdS量子点敏化的ZnO纳米棒电极.应用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对CdS量子点/ZnO纳米棒电极的形貌、晶型和颗粒尺寸进行了分析和表征;采用光电流-电位曲线和光电流谱研究了不同CdS循环沉积次数及不同沉积浓度对复合电极的光电性能影响.结果表明,前驱体浓度都为0.1mol·L-1且沉积15次敏化后的ZnO纳米棒阵列电极光电性能最好.与单纯的ZnO纳米棒阵列电极和单纯的CdS量子点电极相比,其光电转换效率显著提高,单色光光子-电流转换效率(IPCE)在380nm处达到76%.这是因为CdS量子点可以拓宽光的吸收到可见光区,并且在所形成的界面上光生载流子更容易分离.荧光光谱实验进一步说明了光电增强的原因是,两者间形成的界面中表面态大大减少,有利于减少光生电子和空穴的复合.     

锂离子电池用α-Fe2O3-Ag复合纳米棒负极材料的制备及储锂性能

采用FeOOH纳米棒为前驱体,通过层层自组装法及随后的热处理过程制备出α-Fe2O3-Ag复合纳米棒.采用透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和电化学性能测试对样品的形貌、结构及电化学性能进行了表征.结果表明,Ag纳米颗粒均匀地分布在α-Fe2O3纳米棒的表面.作为锂离子电池负极材料,α-Fe2O3-Ag复合纳米棒表现出了较好的循环性能和较高的比容量.180个循环后,其比容量高达549.8 mA.h/g.     

液相沉积法制备ZnO/CdS复合纳米棒阵列薄膜及其光电性质

采用两步化学溶液沉积法在氧化铟锡(ITO)导电玻璃衬底上制备了ZnO/CdS复合纳米棒阵列薄膜.利用X射线衍射(XRD)仪、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见(UV-Vis)吸收分光光度计、荧光(PL)光谱仪及表面光电压谱(SPS)研究了不同CdS沉积时间对复合薄膜的晶体结构、形貌、光电性质的影响.研究结果表明:ZnO纳米棒阵列表面包覆CdS纳米颗粒后,其吸收光谱可拓展到可见光区;与吸收光谱相对应在可见光区出现新的光电压谱响应区,这一现象证实,通过与CdS复合可显著提高ZnO纳米棒阵列在可见光区的光电转换性能;随着CdS纳米颗粒沉积时间的延长,复合纳米棒阵列薄膜在大于383nm波长区域的光电压强度逐渐减弱,而在小于383nm波长区域的光电压强度逐渐增强.用两种不同的电荷产生和分离机制对这一截然相反的光响应过程进行了详细的讨论和解释.     

光电化学水氧化用多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极的设计和构建

光电化学电池(如染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池以及光电化学水分解电池)是实现太阳能转化及存储的有效手段之一.其中,光电极是光电化学电池的核心组成部分,它集光吸收、光生电荷输运及转移等决定光转化效率的关键过程于一身,因此构筑高活性半导体光电极以实现高效太阳能转化利用引起研究者广泛关注.多孔TiO2纳米颗粒堆垛薄膜光阳极因具有大的比表面积,可提供更多的染料(量子点)担载和反应活性位点,在光电化学电池中表现出优异活性而被广泛研究.然而, TiO2纳米颗粒间大量存在的晶界对光生电荷有较强的散射作用,降低了光生电荷的收集效率.英国牛津大学Snaith研究小组利用模板辅助水热过程首次获得了(001)晶面占优的多孔单晶锐钛矿TiO2微米颗粒,这种多孔单晶TiO2微米颗粒在具有大比表面积的同时,其单晶结构还能有效去除晶界对电荷的散射作用,因而具有优异的电荷输运特性.利用这种多孔单晶TiO2微米颗粒组建的光阳极用于染料敏化太阳能电池中,展现出优异的太阳能光电转化性能.受该工作启发,各种形貌的多孔单晶TiO2微米颗粒作为光催化剂和光电化学分解水用光阳极材料被广泛研究,并表现出优异活性.在单晶微米颗粒堆垛成的薄膜光电极中,虽然单个单晶微米颗粒中晶界对电荷的散射作用被有效抑制,但是单晶颗粒间的晶界仍然存在并影响光生电荷的收集效率.为了彻底抑制晶界对光生电荷的散射作用,每个单晶颗粒都应该贯穿整个薄膜,例如一维TiO2纳米棒单晶阵列薄膜.虽然一维单晶阵列薄膜能够有效提高光生电荷的收集效率,但相对于多孔薄膜具有较小的比表面积,限制了担载染料(量子点)和反应位点的数量.为了增大TiO2单晶纳米棒阵列薄膜的比表面积,目前主要的手段包括调控纳米棒长径比、表面修饰TiO2纳米颗粒以及二次生长构建TiO2枝晶阵列.本文首次提出通过制备多孔单晶TiO2纳米棒单晶阵列薄膜来获得高比表面积和高光生电荷收集效率的光阳极,提高光电化学电池的效率.在透明导电薄膜(FTO)表面利用水热生长TiO2纳米棒阵列薄膜之前,预先在FTO基体上沉积一层SiO2球密堆模板, TiO2纳米棒单晶阵列在从FTO表面向上生长过程中,会将SiO2球模板包裹进TiO2纳米棒中,再通过碱溶液将SiO2球模板溶解,首次在FTO基体上原位生长出多孔单晶TiO2纳米棒阵列薄膜.将所得多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜作为光电化学分解水电池光阳极,其光电化学分解水活性相对于实心单晶金红石TiO2纳米棒阵列提高了2.6倍.多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极性能的提升可归因于：(1)多孔结构赋予多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜更大的比表面积,可提供更多的反应活性位点;(2)多孔结构能够有效缩短单晶金红石TiO2纳米棒中光生电荷体相输运距离,提高光生电荷的收集效率;(3)多孔结构通过对光多次反射吸收可有效增强光吸收,产生更多光生电荷参与水分解反应;(4)在制备过程中引入Si掺杂,导致多孔单晶金红石TiO2纳米棒带隙扩大了0.1 eV,带隙增大归因于导带位置负移0.1 eV,光生电子具有更强的还原能力,光电流起始电位相应负移约0.1 V.     

超音速气流粉碎下NiO纳米棒的低温固相制备

采用超音速气流粉碎技术低温固相合成NiO纳米颗粒前驱体,并通过在650～900 ℃下, NaCl熔盐介质中对前驱体进行焙烧,制备得到NiO纳米棒。采用XRD、SEM、TEM测试技术对NiO前驱体、NiO纳米棒的结构和形貌进行了表征。结果表明,前驱体为直径约25 nm球形颗粒,随着焙烧温度升高,逐渐生成直径为300 nm,长度约十几微米的纳米棒。反应过程中熔盐介质是纳米颗粒前驱体生长的关键因素。     

P3HT/CdS/TiO2/ZnO一维有序核壳式纳米棒阵列的构制及其在杂化太阳电池中的应用研究

采用恒电位法在铟锡氧化物导电玻璃(ITO)上制备了高度有序一维ZnO纳米棒阵列,将ZnO纳米棒阵列在TiO2溶胶中采用提拉法制备出了一维TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列.在一维TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列上电沉积CdS纳米晶得到一维CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列,然后在一维CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列上电沉积聚3-己基噻吩(P3HT)薄膜得到P3HT/CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米结构薄膜.以该纳米结构薄膜电极为光阳极制备出新型纳米结构杂化太阳电池,研究了该类电池的光电转换性能,初步探讨了该类电池的工作机理.     

P3HT修饰一维有序壳核式CdS/ZnO纳米棒阵列复合膜的光电化学性能

采用电化学方法在铟锡氧化物(ITO)导电玻璃上制备了高度有序的ZnO纳米棒阵列, 在ZnO纳米棒阵列上先后电化学沉积CdS纳米晶膜及聚3-己基噻吩(P3HT)薄膜得到P3HT修饰的一维有序壳核式CdS/ZnO纳米阵列结构, 并通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、能量散射X射线(EDX)等表征手段证实了该结构的形成. 以此纳米结构薄膜为光阳极组装新型半导体敏化太阳电池, 研究了CdS纳米晶膜的厚度和P3HT薄膜的沉积对电池光伏性能的影响, 初步探讨了电荷在电池结构中的传输机理, 结果表明, CdS纳米晶膜和P3HT薄膜的沉积有效地拓宽了光阳极的光吸收范围, 实验中电池的光电转换效率最高达到1.08%.     

氧化锌纳米棒/云母复合粉体的合成、表征及红外发射性能

采用液相沉积法制备了氧化锌(ZnO)纳米棒负载云母复合粉体,其合成工艺分为:(1)云母粉体表面沉积ZnO纳米粒子,并经煅烧制得表面晶种化的云母粉体;(2)以七水硫酸锌(ZnSO4·7H2O)为前驱体,乙醇胺和氨水为络合剂,制得液相沉积前驱体溶液,并在晶种化的云母粉体表面沉积ZnO纳米棒。利用X-射线衍射(XRD)、ζ电位仪、扫描电子显微镜(SEM)以及红外发射率测试仪对氧化锌/云母复合粉体进行了测试与表征。结果表明,云母分散于乙醇水体积比为1∶1的混合溶液中,其表面带负电(-37 mV),而ZnO粒子表面则带正电(16 mV);两种粒子混合时,可通过静电引力实现ZnO纳米粒子在云母表面沉积;随着云母表面ZnO纳米棒沉积密度的增大,复合粉体在8~14μm波段内的红外发射率逐渐增大,从0.800增加至0.863;对比棒状ZnO球体,结构单元聚集状态的变化对最终红外发射性能的影响不大。     

CdS纳米棒/酞菁氧钛复合光导体的光电导性能

采用以溶剂热方法合成的CdS纳米棒与酞菁氧钛复合制备的复合光导体,在570nm光照下其光电导性能明显提高,将质量分数为5%的CdS纳米棒与TiOPc复合使光敏性能提高32%.电子结构的数据和表面光电压谱分析结果表明,复合体系中存在从CdS纳米棒到TiOPc的光致空穴转移,TiOPc因被CdS纳米棒敏化而表现出高的光电导性能.     

Hybrid polymer/zinc oxide photovoltaic devices with vertically oriented ZnO nanorods and an amphiphilic molecular interface layer

We report on the effect of nanoparticle morphology and interfacial modification on the performance of hybrid polymer/zinc oxide photovoltaic devices. We compare structures consisting of poly-3-hexylthiophene (P3HT) polymer in contact with three different types of ZnO layer: a flat ZnO backing layer alone; vertically aligned ZnO nanorods on a ZnO backing layer; and ZnO nanoparticles on a ZnO backing layer. We use scanning electron microscopy, steady state and transient absorption spectroscopies, and photovoltaic device measurements to study the morphology, charge separation, recombination behavior and device performance of the three types of structures. We find that charge recombination in the structures containing vertically aligned ZnO nanorods is remarkably slow, with a half-life of several milliseconds, over 2 orders of magnitude slower than that for randomly oriented ZnO nanoparticles. A photovoltaic device based on the nanorod structure that has been treated with an amphiphilic dye before deposition of the P3HT polymer yields a power conversion efficiency over four times greater than that for a similar device based on the nanoparticle structure. The best ZnO nanorod:P3HT device yields a short circuit current density of 2 mAcm(-2) under AM1.5 illumination (100 mW cm(-2)) and a peak external quantum efficiency over 14%, resulting in a power conversion efficiency of 0.20%.     

Pt纳米花/ZnO复合阵列的制备及对甲醇氧化催化的研究

利用调控ZnO纳米棒阵列的疏水、亲水性,由电化学方法制备了Pt纳米花/ZnO(PtNF/ZnO)复合阵列.该复合阵列排列规则、尺寸均一、方向一致.每一根ZnO纳米棒的顶端都覆盖着由Pt纳米颗粒构成的Pt纳米花,具有大的比表面积.与以亲水性的ZnO纳米棒制得的覆盖Pt纳米颗粒的ZnO复合阵列(PtNP/ZnO)以及单独的Pt颗粒相比,PtNF/ZnO复合阵列对甲醇氧化具有更高的电化学催化活性.     

Distinct visible-light response of composite films with CdS electrodeposited on TiO2 nanorod and nanotube arrays

Thorough infiltration of CdS nanoparticles into spaces of titania nanorod and nanotube arrays was achieved by an ac electrodeposition technique to construct composite films of CdS over titania. The substrate affected not only the electrodeposition rate but also the oriented growth of CdS. A photocurrent much larger than the simple summation of those arising from the two component layers of CdS and titania was detected for both composite films under visible-light illumination. Such an enhancement in the photocurrent was even more prominent for the composite film based on the titania nanorod arrays, which was contributed to the higher charge separation rate arising from the nearly single-crystalline nanorods when compared with the polycrystalline nanotubes.     

二维/一维BiOBr0.5Cl0.5/WO3 S型异质结助力光催化CO2还原

S型异质结不但可以提高载流子的分离效率,还可以维持较强的氧化还原能力。因此,构建S型异质是提高光催化二氧化碳还原反应的有效途径。本研究通过静电自组装法构建了具有近红外光响应(> 780 nm)的二维BiOBr_0.5Cl_0.5纳米片和一维WO₃纳米棒S型异质结光催化剂,并用于高效还原二氧化碳。能带位置和界面电子相互作用的综合分析表明：在光催化二氧化碳还原反应过程中,BiOBr_0.5Cl_0.5/WO₃遵循S型电子转移路径;不仅提高了载流子的高效分离,还维持了两相(BiOBr_0.5Cl_0.5和WO₃)较高的氧化还原能力。此外,二维纳米片/一维纳米棒的结构使得半导体之间具备良好的界面接触,有利于载流子的分离,且暴露更多的活性位点,最终提高催化效率。结果显示,BiOBr_0.5Cl_0.5/WO₃异质结催化剂表现出较高的CO₂还原能力和CO选择性,CO的产率高达16.68 μmol∙g^-1∙h^-1,分别是BiOBr_0.5Cl_0.5的1.7倍和WO₃的9.8倍。本工作为构建S型二维/一维异质结光催化剂高效还原二氧化碳提供了新的思路。     

Eliminating Hysteresis of Perovskite Solar Cells with Hollow TiO2 Mesoporous Electron Transport Layer

Current density-voltage(J-V) hysteresis issue caused by unbalanced charge transport has greatly limited the improvement of power conversion efficiency(PCE) of halide perovskite solar cells(PSCs). Herein, hollow TiO₂ mesoporous electron transport layer(ETL) was used to fabricate PSCs. The structure-dependent charge collection as well as its effect on PCE and hysteresis impactor(HI) of PSC were investigated. The results demonstrate that TiO₂ hollow spheres in a size of around 50 nm (HS-50) can form a high quality perovskite/ETL interface with a less trap density. Moreover, the hollow TiO₂ with the thin shell can help promote the extraction of electrons from perovskite layer to ETL, so as to reduce the charge accumulation and recombination at the perovskite/ETL interface and alleviate the hysteresis behavior. As a result, PSCs with HS-50 TiO₂ delivered a champion PCE of 16.81% with a small HI of 0.0297, indicating a better performance than the commercial P25(PCE of 15.87%, HI of 0.2571).     

Boosting Charge Transport in a 2D/3D Perovskite Heterostructure by Selecting an Ordered 2D Perovskite as the Passivator

We demonstrate that an ordered 2D perovskite can significantly boost the photoelectric performance of 2D/3D perovskite heterostructures. Using selective fluorination of phenyl-ethyl ammonium (PEA) lead iodide to passivate 3D FA_0.8Cs_0.2PbI₃, we find that the 2D/3D perovskite heterostructures passivated by a higher ordered 2D perovskite have lower Urbach energy, yielding a remarkable increase in photoluminescence (PL) intensity, PL lifetime, charge-carrier mobilities (ϕμ), and carrier diffusion length (L_D) for a certain 2D perovskite content. High performance with an ultralong PL lifetime of ≈1.3 μs, high ϕμ of ≈18.56 cm² V⁻¹ s⁻¹, and long L_D of ≈7.85 μm is achieved in the 2D/3D films when passivated by 16.67 % para-fluoro-PEA₂PbI₄. This carrier diffusion length is comparable to that of some perovskite single crystals (>5 μm). These findings provide key missing information on how the organic cations of 2D perovskites influence the performance of 2D/3D perovskite heterostructures.     

Performance enhancement of CdS nanorod arrays/P3HT hybrid solar cells via N719 dye interface modification

Improved hybrid solar cells consisting of vertical aligned cadmium sulfide (CdS) nanorod arrays and interpenetrating polythiophene (P3HT) have been achieved via modification of CdS nanorod surface by using conjugated N719 dye. The complete infiltration of P3HT between CdS nanorods interspacing was verified by scanning electron microscopy. By employing absorption and photoluminescence spectra, and current-voltage characterization the interaction between N719 molecules and CdS nanorods/P3HT interface was explored, and the role of N719 dye on the improvement of device performance was discussed.