量子点敏化TiO2光电极的制备及其光电性能的研究

摘要

量子点(Quantun Dots，QDs)具有带隙可调，消光系数大及多重激子效应等优点，从而使得量子点敏化太阳电池(Quantum Dot-sensitized Solar Cells，QDSSC)在染料敏化太阳电池(Dye-sensitized Solar Cells，DSSC)的基础上有其独特的发展优势。理论上量子点敏化太阳电池是一种更为经济、高效的太阳电池。然而，目前量子点敏化太阳电池最高效率(η=5.4％)，远未达到人们的期望值。观其原因，主要是量子点敏化太阳电池的内部机理和其材料的选择及制备工艺这两方面的研究还不成熟。本文从优化电池的光利用率以及电子传输等方面进行了研究，得到以下结果。
　　 1.以SiO2微球为模版制备了TiO2空心球。将空心球与TiO2纳米颗粒混合，采用刮板法在FTO导电玻璃上制备了空心球质量分数分别为0％，5％，10％，15％的空心球与纳米颗粒混合的TiO2膜。光电化学测试结果表明空心球质量分数为10％时，TiO2电极的光电流及光电压最大。分析认为，空心球的加入扩大TiO2膜的孔径，延长光在膜中的传输路径，提高了光吸收效率;同时空心球的引入也减少了膜中光生载流子复合中心，延长了电子寿命，从而使光电流与光电压增大。然而空心球过多则会导致膜中颗粒间接触不紧密，膜的电阻增大，从而使光电流与光电压减少。在采用连续离子层吸附与反应法(Successive IonicLayer Adsorption And Reaction, SILAR)沉积CdS时，由于TiO2空心球的引入增大了膜的孔径，膜中CdS的沉积量随空心球质量分数的增大逐渐增多，CdS尺寸逐渐增大。光电化学测试结果显示膜中没有空心球或空心球较少时，由于膜中的CdS的沉积量较小，光电流较小。空心球质量分数为10％时，光电流最大。原因在于CdS的量较多，膜对光的利用率好。然而当空心球过多时，由于膜的电阻大，光电流降低。
　　 在TiO2颗粒膜上滴涂了尺寸分别为350 nm、700 nm的空心球层，制备了CdS敏化TiO2颗粒与空心球双层膜电极。光学及IPCE(Incident Photon To Current Efficiency)测试结果显示两种空心球散射层都具有提高电池对光利用率的作用，而700 nm空心球作为光散射层是对提升电池IPCE值效果更好。通过分析，我们认为其原因在于700 nm空心球层对光的散射作用更强并且对电解质进入颗粒膜的阻碍较小。
　　 2.以一种低成本的方法合成出了油酸包裹的CdS、CdS0.75Se0.25、CdS0.5Se0.5、CdS0.25Se0.75及CdSe五种胶体量子点并将其应用于CdSxSe1-x敏化TiO2电极的制备。IPCE图谱显示五种量子点敏化TiO2电极的光电响应范围不同，随着量子点中Se元素含量的增多，电极的光电响应范围逐渐红移。由此可知通过改变CdSxSe1-x量子点的成分，我们成功调控了TiO2/CdSxSe1-x电极的光电响应范围，此种TiO2/CdSxSe1-x电极有望成为构筑全谱太阳电池的器件材料。
　　 在IPCE测试过程中，我们发现随着光照时间的增长，电极的IPCE值逐渐升高，光电流逐渐增大。通过分析及实验验证，我们认为其主要原因是油酸的降解。由于TiO2具有光催化性能，光照过程中量子点周围的油酸在TiO2表面发生了催化降解反应。油酸的降解使量子点与TiO2间的接触变得紧密，光生电子从量子点到TiO2的注入率变高，最终导致电极的光电流及IPCE值随光照时间增长而增大。
　　 3.采用SILAR法在TiO2颗粒膜中沉积不同循环次数的CdS量子点后，吸附N719染料，制备了CdS、N719共敏化TiO2太阳电池。CdS的引入可以抑制TiO2中电子与电解质的复合，从而增大了电池的开路电压。此外，CdS的引入一方面减少了染料N719染料的吸附量;另一方面与N719染料相互作用，两者能带自发调整，提高了电池中光生电子、空穴分离速率。因此CdS的沉积量对电池的短路电流有很大影响。CdS的沉积量较少时共敏化效果较弱，电池中较少的染料吸附量使得电池的短路电流较低，因而导致电池的光电转化效率不如单纯的染料敏化电池。当沉积6个循环CdS，共敏化效果强，电池的光电转化效率最高，与TiO2/N719相比提高了18.4％。而当CdS沉积量过多时，阻碍了电解质在电极中的扩散，电池的光电转化效率最小。