基于二级结构TiO_2纳米晶光阳极的高效染料敏化太阳能电池

本文报道了一种新型的二级结构TiO2纳米晶(nano-TiO2)光阳极的简单制备方法及其在高效染料敏化太阳能电池中的应用.通过添加适量TiCl4异丙醇溶液到传统nano-TiO2浆料中,可生成微米级nano-TiO2聚集体.该二级结构能有效提高光阳极光谱吸收和散射性能及电子传输和收集效率.基于这种结构光阳极的染料敏化太阳能电池光电性能有显著提高.在光阳极中将6μm厚传统nano-TiO2膜用相同厚度nano-TiO2聚集体替换,电池光电转换效率由5.03%提高到7.30%.进一步增加nano-TiO2聚集体的厚度能制备出更高光电转换效率的电池.     

双层结构CeO2光阳极在染料敏化太阳能电池中的应用

利用水热法合成核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球,制备了一系列双层结构复合光阳极并应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)。研究表明：当CeO₂纳米微球和核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球应用于DSSC光阳极散射层时,电池的光电转化效率有了显著提高。相对于纯TiO₂(P25)光阳极,P25/CeO₂纳米球光阳极电池的DSSC光电性能提高了15.3%,P25/Au@SiO₂@CeO₂纳米球光阳极电池的光电性能提高了27.9%。DSSC光电性能的提高主要归因于2个方面：一方面,Au纳米粒子的表面等离子体共振效应有效提高了光阳极薄膜的光散射效应。另一方面,CeO₂具有较高的染料负载能力,核壳球形结构具有较高的比表面积,增强了光的散射效应,提高了电子传输能力。     

TiO_2微球的合成及其作为散射层在量子点敏化太阳能电池中的应用（英文）

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂,通过TiCl4在乙醇水溶液中的直接水解,制备了介孔TiO2微球.X射线衍射(XRD)结果表明所制备的微球晶型为金红石,扫描电镜(SEM)结果显示微球的直径大约为700nm,由粒径约为16 nm的小颗粒堆积而成.通过刮涂法制备了在TiO2小颗粒层上涂覆有作为散射层的TiO2微球和未涂覆微球的薄膜.并通过化学浴沉积(CBD)的方法在膜上生长CdS/CdSe量子点,得到了量子点敏化太阳能电池(QDSCs).紫外吸收和漫反射结果表明,这种微球结构有利于量子点的沉积,具有较强的光散射作用,有效地增加了光线的收集,从而提高了电池的光电流,最终得到了4.5%的光电转换效率,比不加散射层的电池的效率高27.7%,也比利用传统散射层(由20 nm TiO2小颗粒和400 nm TiO2固体颗粒组成)的电池效率高10.2%.我们把电池效率的提升归因于较强的光散射作用和较长的电子寿命.     

二氧化钛空心微球的合成及其光电化学性能

采用水热法合成了TiO2空心微球,并通过XRD、SEM、TEM对其结构和形貌进行了分析.将TiO2空心微球作为光阳极制作成染料敏化太阳电池,并进行光电化学性能测试.结果表明,电流-电压曲线测试表明以TiO2空心微球为光阳极的电池光电转换效率远高于以TiO2纳米晶为光阳极的电池;紫外-可见吸收光谱及电化学阻抗谱(EIS)显示TiO2空心微球的光吸收能力增强,电池的电荷转移阻抗更低,表明其空心的球体结构是其光电性能提高的主要原因.     

含有TiO2刺球散射中心光阳极的设计及其在染料敏化太阳能电池的应用

采用水热法制备了一种刺球状TiO_2(NT),将其作为光散射中心,与纳米晶TiO_2混合,制备成一种底层为P25薄膜(作为染料吸收层),上层为添加NT散射层的混合结构的薄膜光阳极。探讨了NT添加量对薄膜性能的影响,实验结果表明,当NT与P25粉体的质量比为35%时电池光电性能最优,电池短路光电流密度为14.30 m A·cm~(-2),其光电转换效率达到7.38%。质量比继续增大,当达到50%时电池性能有所下降,光电转换效率降为5.99%,同时染料吸附量也由73.2μmol·cm~(-2)降到70.1μmol·cm~(-2)。这表明过量的大颗粒TiO_2刺球散射中心会减少光阳极的比表面积从而降低染料的有效吸附量,并且还会引起不必要的反向散射,只有适量的散射中心才能得到最佳性能的太阳能电池器件。     

TiO_2光电化学电池催化氧化甲基红

以钛基TiO2薄膜为光阳极,研究了光电化学电池中阳极光催化降解偶氮染料甲基红的动力学.结果表明,短接光电化学电池分隔了光催化过程的阴、阳极反应,有利于抑制光生载流子的复合,提高光催化氧化速率.相同实验条件下短路光电流越大,则甲基红降解速率越高.在基底和TiO2薄膜之间夹层SnO2得到组装电极Ti/SnO2/TiO2,进一步提高了光生载流子的分离效率;同时采用电化学阻抗谱(EIS)评价了电极的光催化性能.     

双层结构CeO2光阳极在染料敏化太阳能电池中的应用

利用水热法合成核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球,制备了一系列双层结构复合光阳极并应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)。研究表明：当CeO₂纳米微球和核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球应用于DSSC光阳极散射层时,电池的光电转化效率有了显著提高。相对于纯 TiO₂ (P25)光阳极,P25/CeO₂纳米球光阳极电池的 DSSC 光电性能提高了 15.3%,P25/Au@SiO₂@CeO₂纳米球光阳极电池的光电性能提高了27.9%。DSSC光电性能的提高主要归因于2个方面：一方面,Au纳米粒子的表面等离子体共振效应有效提高了光阳极薄膜的光散射效应。另一方面,CeO₂具有较高的染料负载能力,核壳球形结构具有较高的比表面积,增强了光的散射效应,提高了电子传输能力。     

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.     

分级微纳结构TiO2空心球的制备及其在DSSC中的应用

以钛酸四丁酯为钛源,无水乙醇为溶剂,通过碳球模板法制备出直径为200nm、壳厚20～25nm的TiO2空心球（HS）.通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和N2吸附脱附等对产物的形貌、晶相组成、孔结构和紫外-可见光谱性质进行了表征,结果显示所制备的锐钛矿相TiO2空心微球是由初级结构纳米级TiO2晶粒构成的.将这种TiO2空心球应用于染料敏化太阳电池（DSSC）领域可以提高光阳极对光的散射.通过制备P25/HS-TiO2双层膜电极,相比单纯的P25纳米晶电极（Jsc=13.5mAcm？2,Voc=0.653V,FF=0.53,η=4.95%）可以得到更高的光电转化效率（Jsc=15.79mAcm？2,Voc=0.653V,FF=0.55,η=6.66%）.     

有序宏孔-介孔TiO_2薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

我们使用表面活性剂P123和聚苯乙烯球双模板技术,合成了多级有序的宏孔/介孔TiO2薄膜,并将其与P25多孔薄膜复合形成双层结构的染料敏化太阳能电池光阳极.实验结果表明,宏孔/介孔TiO2薄膜层的引入,有效地提高了光阳极对太阳光的散射以及捕获能力,从而提高了染料敏化太阳能电池的光电转化效率.与使用单一P25光阳极的染料敏化太阳能电池相比,双层TiO2结构的染料敏化太阳能电池所产生的短路光电流密度从7.49上升到了10.65mA/cm2,开路电压也从0.65提高到了0.70V.在太阳光强度为AM1.5时所测得的光电转化效率表明,双层TiO2结构的染料敏化太阳能电池的光电转化效率为5.55%,比单层P25结构的染料敏化太阳能电池的光电转化效率提升了83%.     

染料敏化太阳能电池中空微/纳结构光阳极材料研究进展

染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells,DSSC)以其低成本、易加工、高转化等特点受到广泛关注,半导体光阳极是DSSC的重要组成部分,其组成和微观结构直接影响电池性能,中空微/纳结构能够提供高表面积、增加染料负载量、促进光捕获,增强电子传输,因而成为近年来光阳极材料领域的一个热点内容。 本文综述了中空微/纳结构光阳极材料的研究进展,主要包括空心球、空心盒、核-壳结构、多级空心、多壳层结构等,并着重分析了各个结构特征与光电转换效率的关系和增益机制,探讨了中空微/纳结构光阳极面临的挑战及发展趋势。     

Single-crystalline rutile TiO2 hollow spheres: room-temperature synthesis, tailored visible-light-extinction, and effective scattering layer for quantum dot-sensitized solar cells

A general synthesis of inorganic single-crystalline hollow spheres has been achieved through a mechanism analogous to the Kirkendall effect, based on a simple one-step laser process performed at room temperature. Taking TiO(2) as an example, we describe the laser process by investigating the influence of experimental parameters, for example, laser wavelength, laser fluence/irradiation time, liquid medium, and concentration of starting materials, on the formation of hollow spheres. It was found that the size-tailored TiO(2) hollow spheres demonstrate tunable light scattering over a wide visible-light range. Inspired by the effect of light scattering, we introduced the TiO(2) hollow sphere's scattering layer in quantum dot-sensitized solar cells and achieved a current notable 10% improvement of solar-to-electric conversion efficiency, indicating that TiO(2) hollow spheres are potential candidates in optical and optoelectronic devices.     

Easily manufactured TiO2 hollow fibers for quantum dot sensitized solar cells

TiO(2) hollow fibers with high surface area were manufactured by a simple synthesis method, using natural cellulose fibers as template. The effective light scattering properties of the hollow fibers, originating from their micron size, were observed by diffuse reflectance spectroscopy. In spite of the micrometric length of the TiO(2) hollow fibers, the walls were highly porous and high surface area (78.2 m(2) g(-1)) was obtained by the BET method. TiO(2) hollow fibers alone and mixed with other TiO(2) pastes were sensitized with CdSe quantum dots (QDs) by Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) and integrated as a photoanode in quantum dot sensitized solar cells (QDSCs). High power conversion efficiency was obtained, 3.24% (V(oc) = 503 mV, J(sc) = 11.92 mA cm(-2), FF = 0.54), and a clear correspondence of the cell performance with the photoanode structure was observed. The unique properties of these fibers: high surface area, effective light scattering, hollow structure to facile electrolyte diffusion and the rather high efficiencies obtained here suggest that hollow fibers can be introduced as promising nanostructures to make highly efficient quantum dot sensitized solar cells.     

Anatase TiO(2) microspheres with exposed mirror-like plane {001} facets for high performance dye-sensitized solar cells (DSSCs)

Anatase TiO(2) microspheres with exposed mirror-like plane {001} facets were successfully synthesized via a facile hydrothermal process. The photoanode composed of TiO(2) microsphere top layer shows an improved DSSCs efficiency owing to the superior light scattering effect of microspheres and excellent light reflecting ability of the mirror-like plane {001} facets.     

中空TiO_2微球的制备及对聚丙烯酸酯薄膜性能的影响

采用阳离子聚苯乙烯微球作为模板,钛酸四丁酯为钛源,氨水为催化剂,制备了中空TiO_2微球.采用X射线衍射、扫描电镜及比表面测定仪对其形貌和结构进行了表征,并考察了模板粒径、钛源用量以及催化剂用量对中空TiO_2微球形貌的影响.通过物理共混法将其引入至聚丙烯酸酯乳液中并成膜,研究了复合薄膜的保温性能、抗紫外性能及力学性能.结果表明,锐钛矿相中空TiO_2微球模板粒径、钛源用量以及催化剂用量影响中空TiO_2微球的空心尺寸、壁厚及壳层致密性.中空TiO_2微球可显著提升聚丙烯酸酯薄膜的保温性能、抗紫外性能和力学性能.采用不同粒径的模板制备的中空TiO_2微球对复合薄膜的各项性能均有影响,其中模板粒径为140 nm时复合薄膜性能最优,光反射率提升63%,导热系数降低27%,且在波长小于360 nm范围内,紫外透过率几乎为0,抗张强度增加100%,断裂伸长率提升62%.     

Composite Electrode SnO2／TiO2 for Dye-Sensitized Solar Cells

Composite nanoporous electrode SnO2/TiO2 was fabricated for the dye sensitized solar cell (DSSC) with N3 (Cis-Ru). After introducing of TiO2, the open-circuit photovoltage (Voc) was higher than that of the pure SnO2 electrode, while short-circuit photocurrent (Isc) was varied with the ratio of the TiO2. Appropriate content of the TiO2 can be beneficial to the efficiency of the solar cell, and it gives negative impact on the composite electrode when the content of TiO2 is higher.     

PbS/CdS-sensitized mesoscopic SnO2 solar cells for enhanced infrared light harnessing

Metal oxide semiconductors with lower lying conduction band minimum and superior electron mobility are essential for efficient charge separation and collection in PbS-sensitized solar cells. In the present study, mesoscopic SnO(2) was investigated as an alternative photoanode to the commonly used TiO(2) and examined comprehensively in PbS-sensitized liquid junction solar cells. To exploit the capability of PbS in an optimized structure, cascaded nPbS/nCdS and alternate n(PbS/CdS) layers deposited by a successive ionic layer adsorption and reaction method were systematically scrutinized. It was observed that the surface of SnO(2) has greater affinity to the growth of PbS compared with TiO(2), giving rise to much enhanced light absorption. In addition, the deposition of a CdS buffer layer and a ZnS passivation layer before and after a PbS layer was found to be beneficial for efficient charge separation. Under optimized conditions, cascaded PbS/CdS-sensitized SnO(2) exhibited an unprecedented photocurrent density of 17.38 mA cm(-2) with pronounced infrared light harvesting extending beyond 1100 nm, and a power conversion efficiency of 2.23% under AM 1.5, 1 sun illumination. In comparison, TiO(2) cells fabricated under similar conditions showed much inferior performance owing to the less efficient light harnessing of long wavelength photons. We anticipate that the systematic study of PbS-sensitized solar cells utilizing different metal oxide semiconductors as electron transporters would provide useful insights and promote the development of semiconductor-sensitized mesoscopic solar cells employing panchromatic sensitizers.