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光子晶体与纳米Au耦合效应及其对染料电池改性的研究

邓文歆  
【摘要】: 作为第三代太阳能技术的主角之一的薄膜太阳能电池不同于传统晶硅电池,具有成本低,质量轻,原料充足,在弱光下也能工作等优点。除CIGS(CuInGaSe)、CdTe和非晶/微晶硅等几种已开始规模生产的薄膜电池外,由瑞士M. Gr?tzel教授的研究小组研发出的染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells,DSSC)以其丰富廉价的原料,简易的制作引起众多关注。它以多孔二氧化钛电极代替平板电极,并引入金属钌(Ru)的联吡啶配合物染料作为受光子激发产生自由电子的给体,使电池转换效率达到11%。二氧化钛作为染料太阳能电池(DSSC)的阴极材料,不仅是吸收太阳光的关键部件,而且还承担着作为染料分子载体和接收并传导电子到电池阴极端的功能。因此二氧化钛电极的物理性质和结构既关系着电池的光电转化率又影响光吸收率。 另一方面,由S.John和E.Yablonoviteh提出的光子晶体将介电材料在空间中作周期排列,以改变光在其间传播的光的性质。近来,将具有规整光子晶体结构的TiO_2应用于太阳能电池开始引起关注,有报道称,高度有序纳米阵列电极材料有利于增强光的吸收。 本课题的目的在于设计一种光子晶体结构薄膜用于突破染料太阳能电池(DSSC)有限吸光度的瓶颈,用具有有序大孔结构的TiO_2薄膜作为电极,并且在其表面用Au NPs修饰。理论分析推断,由于纳米Au粒子由于具有表面等离子效应(Surface Plasmon Resonance),光子晶体TiO_2中周期的电磁场分布与Au NPs相互耦合谐振,可以增强Au NPs对其附近的光能的吸收,这样能促进受激光子参与光电转化并从电介质中电子给体上的电子经过染料分子和Au NPs而进入半导体,因此增强光吸收和光电转化效率。我们首先用模板法制备这种结构的电极薄膜,而后检测其光学和电学特性。 在蛋白石结构正模板的制备过程中,本文运用无皂乳液聚合法合成具有单一粒径的聚苯乙烯(PS)胶体微球;然后,用垂直沉积法成功地制备了微球粒径在200~230nm,厚度在2~4μm的光子晶体正模板。 在利用正模板拓扑光子晶体结构TiO_2薄膜的实践中,本课题利用垂直沉积法将PS乳胶微球自组装于FTO玻璃上形成胶态晶体薄膜作为光子晶体结构正模板,在微球的间隙渗入钛酸正丁酯的乙醇溶液,通过溶胶-凝胶形成二氧化钛-聚苯乙烯复合材料,最后利用450℃高温烧结,成功制备了大面积FCC排列、孔径在150nm~220nm、分布均匀的TiO_2大孔径的反蛋白石结构光子晶体。为优化表面结构,我们自创了一种“三明治”填充法,并且根据不同制备条件得到产物的SEM照片,XRD衍射花样和TGA曲线分析了胶体填充、陈化、烧结中不同因素的影响,综合比较结果优化了制备工艺。 为实现纳米Au粒子对电极的修饰,则采用柠檬酸钠还原四氯金酸(HAuCl4)制备粒径在10nm~100nm的纳米Au粒子,并通过溶液挥发法将10nm~20nm的纳米Au自组装于反蛋白石结构的TiO_2薄膜之上。利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)分别观察了纳米Au粒子的形态以及它们在TiO_2薄膜上的分布状况,证明粒径在10nm、20nm左右的Au NPs的单一性与稳定性较好。最后用全光谱分光光度计测量了掺Au前后薄膜的吸收光谱,证明掺Au后的TiO_2薄膜拓展了在可见光范围的吸收,说明纳米Au粒子掺杂在电池光吸收的应用中具有应用潜力。 应用前面制备的Au NPs修饰的具有反蛋白石结构的光子晶体TiO_2薄膜,敏化后作为电极组装成染料敏化电池(DSSC),测量了电池的I-V响应曲线,并计算其电学参数。实验证明光子晶体结构的TiO_2比另一个作为参照的普通结构TiO_2电极的Isc(短路电流)提高了150%,并且掺Au后具有更佳的FF(填充因子),其效率也提高了2倍,证明该新型电极具有增强光吸收和改善电池效率的潜力。


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