基于增強(qiáng)光吸收的DSSC電極修飾與光電性能研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池（DSSC）以其低成本、無毒、壽命長及效率較高而成為新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而常規(guī)DSSC的染料（如N719）只能對(duì)紫外及可見光區(qū)的光子進(jìn)行捕獲（吸光帶邊<700nm），并且在位于藍(lán)紫高能光區(qū)的吸光度也有待進(jìn)一步提高。在紫外光的作用下，TiO2粉體會(huì)產(chǎn)生大量的激子對(duì)，這使得DSSC中發(fā)生大量復(fù)合反應(yīng)。而在紅外光區(qū)（占太陽光能量的43％）的吸收空白也成為了限制 DSSC效率進(jìn)一步提升的重要瓶頸。因此對(duì)太陽光中紅外光尤其近

2、紅外光的利用以及復(fù)合反應(yīng)的抑制成為了進(jìn)一步提高 DSSC光電性能的重要方法。
　　對(duì)于上轉(zhuǎn)換材料在DSSC中的作用機(jī)理科研工作者們一直存在爭議。本論文以簡單、易制的2%Er，50%Yb-YF3為例子，通過表面光電壓譜、上轉(zhuǎn)換熒光光譜、單色光效率譜等多種方法研究了上轉(zhuǎn)換材料在DSSC光陽極中的作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明上轉(zhuǎn)換材料和染料發(fā)生了熒光共振能量傳遞（Fr?ster resonance energy transfer, FRET）

3、并且其傳遞效率遠(yuǎn)高于光媒能量傳輸（Luminescence-media energy transfer, LET，其傳遞效率受上轉(zhuǎn)換材料低量子產(chǎn)率的限制而不夠高效）。除此之外，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)使得上轉(zhuǎn)換材料與 TiO2形成共用晶格，并產(chǎn)生了一種類熒光共振作用，使得上轉(zhuǎn)換材料可以將激發(fā)態(tài)電子直接注入到TiO2導(dǎo)帶中。通過上轉(zhuǎn)換修飾使得電池最高效率提高到6.76%，比空白DSSC提高了43.5%。而后我們研究了基質(zhì)和發(fā)光離子對(duì)FRET作

4、用和電池性能提高的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著基質(zhì)的改變，NaYF4為基質(zhì)時(shí)上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度高于YF3，而當(dāng)Ho3+為發(fā)光離子時(shí)其發(fā)光單色性更強(qiáng)，從而使得能量傳遞集中在高效的綠光 FRET過程。因此電池性能排序?yàn)椋篋SSC(2%Ho,18%Yb-NaYF4)>DSSC(2%Ho,18%Yb-YF3)> DSSC(2%Er,18%Yb-NaYF4)> DSSC(2%Er,18%Yb-YF3)。
　　選用多金屬氧酸鹽（POM，同多酸：十鎢酸，DA

5、；雜多酸：SiW11Co）修飾TiO2，組裝DSSC，通過表面光電壓、紫外可見吸收光譜、Mott-Schottky曲線和開路電壓衰減譜等測(cè)試，分析了POM在DSSC中的作用機(jī)理：POM能夠增強(qiáng) DSSC位于可見光區(qū)尤其藍(lán)紫高能光區(qū)的能量吸收，起到類似共敏化的作用；POM還能夠吸收紫外光，從而抑制了復(fù)合的發(fā)生，使得電池性能有所增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明十鎢酸修飾 DSSC使得電池效率從7.59%提高到8.37%。而 SiW11Co修飾DSSC使得短路

6、電流密度大幅提高（11.01 mA cm-2→18.05 mA cm-2），電池光電轉(zhuǎn)換效率從5.2%提高到6.0%。
　　將稀土元素引入到導(dǎo)電粉FTO（F摻雜SnO2）中，制備UC-FTO上轉(zhuǎn)換納米粉體作為對(duì)電極材料組裝DSSC。UC-FTO粉體可以替代傳統(tǒng)DSSC中成本高昂的Pt對(duì)電極，從而明顯降低DSSC的成本（其成本約為Pt的1/20）。采用UC-FTO粉體作為 DSSC的對(duì)電極，使得電池光電轉(zhuǎn)換效率提高到7.30%，相比