稀土掺杂含钛氧化物在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)常用的染料是N3和N719,其敏化电极对太阳光的吸收范围主要集中在可见光区,对紫外光及红外光却吸收很少。而稀土摻杂下/上转换发光材料,能够将不易被DSSC吸收利用的紫外光/红外光分别下转换/上转换为DSSC可以充分利用的可见光,拓宽DSSC的光谱响应范围到紫外光/红外光区,从而提高其光电转换效率。Sr Ti O3是典型的钙钛矿结构,具有禁带宽度宽、光催化活性优良等特点,在光催化、光化学电池等领域得到了广泛的应用。本文以多元半导体氧化物SrTiO3为稀土掺杂下转换发光材料的基质,并将稀土掺杂SrTiO3作为光转换剂应用于DSSC,提供一条稀土摻杂发光材料应用于DSSC以提高其光电转换效率的有效新途径。取得的主要成果如下:(1)采用固相反应法成功制备了立方结构的SrTi O3:Ho3+纳米晶,其直径为40~400nm,孔径尺寸约为45nm,用该纳米晶直接制备Sr TiO3:Ho3+下转换薄膜光阳极,探讨了稀土掺杂量对SrTiO3:Ho3+光阳极组装DSSC光电性能的影响。制备的SrTiO3:Ho3+光阳极能够将紫外光转换为被N719染料吸收利用的可见光,进而提高DSSC的短路电流密度。与SrTiO3光阳极组装DSSC相比,SrTiO3:Ho3+(Ho2O3掺杂量为1wt%)下转换光阳极组装DSSC的光电转换效率提高了近60%,实现了DSSC光电性能的大幅提高。(2)采用水热法成功制备了SrTiO3:Sm3+纳米粉体,并用St?ber方法在其表面包覆SiO2,制得具有核壳结构的SrTiO3:Sm3+@SiO2纳米粉体。将SrTiO3:Sm3+和Sr Ti O3:Sm3+@SiO2作为下转换剂分别掺杂于纳米TiO2光阳极,探讨摻杂量对Sr Ti O3:Sm3+/TiO2和SrTiO3:Sm3+@SiO2/TiO2复合光阳极组装DSSC光电性能的影响。与Sr Ti O3:Sm3+相比,SrTiO3:Sm3+@Si O2纳米粉体具有稍弱的发光强度,但均具有下转换功能,能够将紫外光转换为可见光,拓宽光谱响应范围到紫外光区。SrTiO3:Sm3+的摻杂量为10wt%时,SrTiO3:Sm3+/TiO2复合光阳极组装DSSC的光电转换效率最大为4.38%,相对于纯TiO2光阳极效率提高了27%。摻杂量均为10wt%时,与SrTiO3:Sm3+/TiO2复合光阳极相比,SrTiO3:Sm3+@SiO2/TiO2复合光阳极组装DSSC的光电转换效率也有了一定的增强,达到5.07%。光电性能的较大提高可归因于核壳结构SrTiO3:Sm3+@SiO2的抑制电子-空穴复合、对光进行散射和下转换发光三重作用。(3)以纳米TiO2为原料,采用水热法在反应时间为16h时,成功制备了TiO2纳米线/纳米粒复合粉体,利用纳米线促进电子的传输,利用高比表面积的纳米粒吸附更多的染料,TiO2纳米线/纳米粒复合光阳极组装DSSC的光电转换效率达到了2.75%。采用水热法在反应时间为24h时,成功制备了TiO2纳米线,并将Ho3+摻杂于其中制得TiO2:Ho3+下转换纳米线,探讨稀土掺杂量对TiO2:Ho3+下转换纳米线光阳极组装DSSC光电性能的影响。当Ho2O3掺杂量为4wt%时,与TiO2纳米线光阳极相比,TiO2:Ho3+下转换纳米线光阳极组装DSSC的光电转换效率提高了一倍。