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新型CeO2基材料在染料敏化太阳能电池光阳极中的应用研究进展

2020-08-06韩含顾鑫鑫王敏韩贵白静怡

绿色科技 2020年4期

韩含 顾鑫鑫 王敏 韩贵 白静怡

摘要:指出了染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为新一代太阳能电池,具有制备工艺简单、成本低、效率高、稳定性好等优点·光阳极是染料敏化太阳能电池的核心部分,也是影响电池效率的关键部分。CeO2基复合材料具有与TiO2相匹配的能级结构,易形成电子传输通道,降低了光生电子-空穴的复合,电池光电转换效率最高可达到7.05%。介绍了2種不同的CeO2基复合材料CeO2,Au@CeO2:Yb/Er在染料敏化太阳能电池中的应用,并着重分析了其比表面积、光散射能力以及光响应能力对染料敏化太阳能电池性能的影响以及研究进展。以供参考。

关键词:氧化铈;光阳极;染料敏化太阳能电池;光电转换效率

中图分类号:TM914 文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2020)04-0137-03

1 引言

21世纪以来能源已成为人类关注的焦点,随着人类社会的高度集约化以及人口总数不断增加,人类对于能源的需求也不断增高。然而,随着化石能源的枯竭以及全球对温室效应的关注,一系列环境问题以及能源紧缺问题也相伴而生,因此,开发利用清洁可再生能源成为人类目前迫切需要解决的问题。据估计,太阳至少能正常运行约50亿万年,太阳能可谓是取之不尽、用之不竭的能源,随着人类工业技术的迅速发展,太阳能电池的光电利用发展突飞猛进。目前,传统的染料敏化太阳能电池最高效率已超过12%[1],但远低于其理论效率30%。因此,研究者们为了提高DSSCs的光电转换效率,对其关键组分进行了改革最优化,本文主要对其关键组分光阳极进行优化,讨论不同CeO2基复合光阳极对染料敏化太阳能电池性能影响。

2 染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池主要由透明导电基片、光阳极、染料、电解质和对电极5个部分构成了一个“三明治”结构[2,3]。其中,光阳极为多孔半导体材料形成的薄膜,主要负责电子的传输与收集以及吸附染料。半导体氧化物是DSSCs最为普遍的光阳极材料,其具有以下特征:能带宽度匹配,激发电子快速注入到光阳极的导带中;电子传输速率快,减小电子与空穴复合机率;比表面积大,能够吸附大量的敏化染料;具有多孔结构,有利于电解液渗人,促进氧化态染料分子再生。目前,光阳极的纳米材料会采用宽禁带的半导体氧化物材料如ZnO、SnO2和WO3等。但是这些材料与TiO2相比,转换效率还相差甚远,因此,要寻找和开发新型组成的光阳极材料以及改善多孔薄膜的微观结构进而改善电池的光电转换效率。

氧化铈是最丰富和最廉价的稀土氧化物。尤其是多孔CeO2材料,由于其具有Ce4+/Ce3+2种氧化态以及独特的孔道结构,因此表现出很强的储氧、放氧功能及高温快速氧空位扩散能力。DSSCs光阳极作为光敏化剂的载体以及收集电子和传输电子的介质,因受到太阳能电池材料本身性质的影响,限制了电池的光子一电子转换效率。所以要想从根本上提高DSSCs的光电效率就必须拓展电池的光谱响应范围,利用优质复合材料提高吸收光的能力。本文主要介绍了2种介孔CeO2基核壳结构半导体在DSSCs光阳极材料的应用。

3 CeO2基材料修饰的复合光阳极

3.1 空心结构CeO2修饰的复合光阳极

在众多金属氧化物中,CeO2具有萤石型面心立方结构,其阳离子可在+3价和+4价氧化态之间切换。Wang等[4]将合成的CeO2纳米立方体作为辅助材料应用到染料敏化太阳能电池中,与TiO2形成复合光阳极,因其镜面反射作用,使光在电池内不断被反射,提高了可见光的利用率。Jang等[5]水热合成了八面体Eu掺杂的CeO2,并将其作为辅助材料应到DSSCs中,太阳光吸收率明显增强。目前,氧化铈的微观结构和形貌对DSSCs性能影响的报道较少。在CeO2的众多微观结构中,CeO2空心球纳米材料因其独特的空心结构,较大的比表面积和介孔壳层,已经被广泛应用于锂离子电池、太阳能电池、催化、纳米反应器及药物输送等领域。CeO2空心球又是重要的染料吸附材料,由于其空心结构及染料的静电吸附作用,而且巨大的比表面积和介孔属性又为其提供了更多的活性点。He等[6]使用溶热法制备了纳米CeO2空心球,对染料A07具有较好的吸附效果,但是在锻烧之后,吸附效果降低。

本课题组研究了CeO2的微观结构,以碳球为模板,通过水热法制备出高比表面积的CeO2空心球如图1TEM,比较其光伏特性,发现在模拟标准1.5G(100mw/cm2)太阳光照条件下,空白P25光阳极制备的DSSCs短路电流达到了12.46mA/cm2,光电转换效率为5.51%。与之相比,空心结构CeO2修饰P25复合光阳极制备的DSSCs短路电流增长到了13.46mA/cm2,光电转换效率为6.36%,增长了15.43%,电池的光电转换效率明显增强。CeO2空心球颗粒大小均一,均匀的覆盖在P25表面形成双层结构光阳极,由于其比表面积和纳米颗粒尺寸较大,大大提高了染料的吸附能力,而且CeO2具有与TiO2相匹配的能级结构,可形成电子传输通路,抑制了光生电子一空穴的复合,进而提高DSSCs的光电转换效率。

3.2 核壳结构Au@CeO2:Yb/Er复合光阳极

核壳结构纳米材料比表面积较大,光散射能力较强,而且其中的核能够反射更多的可见光,从而能够提高电池的光电转换效率。在利用核壳结构优势基础上,引入了等离子体共振效应(LSPR)。有效地电子注入、较高的电子收集效率以及对可见光的充分吸收是保证DSSCs光电转换率提高的前提。具有LSPR的金属纳米颗粒不仅可以修饰在纳米球壳层上,还可以在中空结构的内部形成核壳结构。可作为表面等离子激元的有贵金属铂、金、银。Zhao Peng等[7]用Au纳米颗粒包覆β-NaYF4:Er3+/Yb3+@SiO2。当上转换纳米晶被包上Au纳米颗粒后,由于其等离子体共振效应,上转换效应有了很大的增强,同时也提高的光散射能力。Yun利用Ag和Au纳米颗粒较高的电子传输性能和表面等离子共振效应,将核壳结构Au@Ag包覆在TiO2中空纳米微球上,电池光电转换效率达到9.7%。研究表明Ag,Au贵金属粒子的引入,可与半导体形成异质结结构,从而形成肖特基势垒,减少光生电子和空穴的复合。

因此,本课题组采用溶胶一凝胶法制备了Au纳米离子,接着水热法在其表面包覆CeO2:Yb/Er,并通过高温煅烧得到Au@CeO2:Yb/Er纳米材料如图2TEM。将核壳结构Au@CeO2Yb/Er纳米材料作为光阳极辅助材料应用到DSSCs中,在100mw/cm2(AM1.5)模拟太阳光下进行了电池的性能测试,发现CeO2:Yb/Er制备的DSSCs电流为13.58mA/cm2,电池效率6.78%。Au@CeO2:Yb/Er制备的DSSCs电流达到了14.25mA/cm2,而电池效率达到了7.05%,比CeO2:Yb/Er复合光阳极提高了4.14%。这主要归结于这些材料对光不同方向的散射使其传输途径增加,所以增强光的再次吸收,从而提高对光的捕获利用率。因此引入贵金属Au纳米颗粒与掺杂稀土离子能够增强荧光,拓宽光谱响应范围从而增强上转换效果,最终达到光电转换效率增加的目的。

4 结语

随着环境问题与能源危机的加剧,人们对清洁能源的关注越来越多。太阳能作为一种储量极其丰富的清洁能源,将会大大地改善人们的生活。DSSCs作为太阳能电池的一种,具有廉价、高效、稳定、容易制作等优点,具有非常广阔的发展前景。DSSCs光阳极的结构对电池的效率有着很大的影响,那么有目的地改变纳米材料结构是一种直接且主要提高DSSCs的光电转换效率的手段。制备纳米颗粒核壳复合结构是一种相当好的方法,核壳结构具有比表面积大,表面光散射能力强,能有效的阻碍电子的复合。由于有些材料表面会存在大量缺陷,然而电子在传输的过程中,这些缺陷容易捕获电子,从而降低了电子的传输率。合适的核壳结构可以形成势垒,大大降低电子的复合率。在利用核壳结构的基础上,引入上转换效应以及等离子体共振效应(LSPR)也能够提高电池效率。首先,采用上转换纳米材料,降低了CeO2的禁带宽度,使得掺杂Er,Yb的纳米材料与TiO2之间的能级匹配,抑制了电荷的复合。而且上转换纳米材料能够将分布于980nm外近红外区域的太阳光全部转换为可见光,有效减少了这种不能被完全吸收光子的损失。其次,Au纳米颗粒的表面等离子共振效应,拓宽了光谱响应范围,能够增强上转换效果,提高荧光的发光强度,从而达到了提高电池光电转换效率的目的。

参考文献:

[1]Green M A,Emery K,Hishikawa Y,et al.Solar cell efficiency ta-bles(version 39)[J].Prog Phoyovoltaics,2012,20(1):12~20.

[2]孔凡太,戴松元.染料敏化太阳能电池研究进展[J].化学进展,2006(18):1409~1424.

[3]陈旭珠,潘春跃,喻桂朋,等.染料敏化太阳能电池的研究进展[J].广州化工,2013,(41):62~65.

[4]Yu H,Bai Y,Zong X,et al.Cubic CeO Nanoparticles as Mirror-like Scattering Layers for Efficient Light Harvesting in Dye-sene-itized Solar Cells[J].Chemical Communication,2012,48(59):7368~7388.

[5]Rob J,Hwang S R,Jang J.Dual-functional CeO2:Eu3+Nanocrys-tals for Performance-Enhanced Dye-sensitized Solar Cells[J].ACSAppplied Materials&Interfaces,2014,6(22):19825~19832.

[6]He L,Li J,Feng Z,et al.Solvothermal Synthesis and Characteri-azation of Ceria with Solid and Hollow Spherical and MultilayeredMorphologies[J].Applied Surface Science,2014(322):147~154.

[7]Zhao P,Zhu Y,Yang X,et al.Plasmon-enhanced Efficient Dye-sen-sitized Solar Cells Using Core-shell-structured β NaYF4:Yb,Er@SiO2@Au Nanocomposites[J].Journal of Materials Chemistry A,2014,2(39),16523~16530.

收稿日期:2020-02-14

基金項目:扬州大学广陵学院大学生学术科技创新基金项目(编号:YJ20180503);扬州大学广陵学院自然科学研究项目(编号:ZKYB180010)

作者简介:韩含(1998-),女,扬州大学广陵学院学生。

通讯作者:王敏(1992-),女,助教,硕士,研究方向为新能源材料。