纳米氧化物异质结构光阳极材料的火焰喷雾热解制备及其电化学性能

【摘要】：对于染料敏化太阳能电池(DSCs),其光阳极薄膜材料起到负载染料和传输电子双重作用,是DSC的核心部分,优化薄膜材料的结构可系统的提高电池的光电转化效率。本文采用火焰喷雾热解过程,通过优化火焰温度场,有效实现了核壳型纳米结构和杂质离子均匀掺杂的纳米粉体,制备了氧化钛/氧化锡核壳结构、氧化锌/氧化锡核壳结构及钽掺杂二氧化钛三种光阳极材料。 采用火焰喷雾热解法,以钛酸四丁酯为钛源,四氯化锡为锡源,分别进料,通过控制气体及前驱体浓度,首次将SnO2沉积生长在TiO2纳米晶体上,形成粒径约为60nm的TiO2/SnO2核壳结构纳米颗粒。并研究了反应温度、停留时间及进料模式对制备的TSN结构的影响。将其作为光阳极材料应用于DSC中,结果表明该结构能显著提高光生电子注入效率及电子的传输速率,抑制光生电子与电解质及染料阳离子的复合,提高了电池的短路电流,可获得高达7.87%的光电转化效率,较TiO2电极和SnO2电极分别提高了16.0%和368.5%。 采用火焰喷雾热解法,以醋酸锌为钛源,四氯化锡为锡源,分别进料,合成了粒径为60-80nm的ZnO/SnO2核壳结构纳米颗粒。利用颗粒具有较好的化学稳定性及电子传输速率,将其作为光阳极材料,结果表明该结构可有效避免染料与ZnO之间的反应及团聚,且异质结构提高了氧化锌的费米能级,降低了电子与染料阳离子的复合几率,组装的器件获得2.96%的光电转化效率,较ZnO电极材料提高了88.54%。 采用用火焰喷雾热解法,以钛酸四丁酯为钛源,五氯化钽为钽源,将钽离子均匀的掺杂在TiO2纳米颗粒中,制备了锐钛相与金红石相混相的钽掺杂二氧化钛纳米颗粒。研究表明,五价钽离子的引入增加了电子浓度,使得开路电势负移。且五价钽离子可有效促进电子与空穴对的分离,抑制光生电子的复合,提高了电池的短路电流。组装成电池后,研究了不同掺杂含量对于电池性能的影响。结果表明,生成的氧空位缺陷使费米能级发生正移,电子注入的增强使组装电池器件的光电转换效率显著提高,达到了8.66%。