光子晶體與納米Au耦合效應(yīng)及其對染料電池改性的研究.pdf

1、作為第三代太陽能技術(shù)的主角之一的薄膜太陽能電池不同于傳統(tǒng)晶硅電池,具有成本低,質(zhì)量輕,原料充足,在弱光下也能工作等優(yōu)點。除CIGS(CuInGaSe)、CdTe和非晶/微晶硅等幾種已開始規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池外,由瑞士M. Gr？tzel教授的研究小組研發(fā)出的染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cells,DSSC)以其豐富廉價的原料,簡易的制作引起眾多關(guān)注。它以多孔二氧化鈦電極代替平板電極,并引入金屬釕(Ru)的

2、聯(lián)吡啶配合物染料作為受光子激發(fā)產(chǎn)生自由電子的給體,使電池轉(zhuǎn)換效率達到11%。二氧化鈦作為染料太陽能電池(DSSC)的陰極材料,不僅是吸收太陽光的關(guān)鍵部件,而且還承擔(dān)著作為染料分子載體和接收并傳導(dǎo)電子到電池陰極端的功能。因此二氧化鈦電極的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)既關(guān)系著電池的光電轉(zhuǎn)化率又影響光吸收率。另一方面,由S.John和E.Yablonoviteh提出的光子晶體將介電材料在空間中作周期排列,以改變光在其間傳播的光的性質(zhì)。近來,將具有規(guī)整光子晶

3、體結(jié)構(gòu)的TiO2應(yīng)用于太陽能電池開始引起關(guān)注,有報道稱,高度有序納米陣列電極材料有利于增強光的吸收。本課題的目的在于設(shè)計一種光子晶體結(jié)構(gòu)薄膜用于突破染料太陽能電池(DSSC)有限吸光度的瓶頸,用具有有序大孔結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜作為電極,并且在其表面用Au NPs修飾。理論分析推斷,由于納米Au粒子由于具有表面等離子效應(yīng)(Surface Plasmon Resonance),光子晶體TiO2中周期的電磁場分布與Au NPs相互耦合諧振,可以

4、增強Au NPs對其附近的光能的吸收,這樣能促進受激光子參與光電轉(zhuǎn)化并從電介質(zhì)中電子給體上的電子經(jīng)過染料分子和Au NPs而進入半導(dǎo)體,因此增強光吸收和光電轉(zhuǎn)化效率。我們首先用模板法制備這種結(jié)構(gòu)的電極薄膜,而后檢測其光學(xué)和電學(xué)特性。在蛋白石結(jié)構(gòu)正模板的制備過程中,本文運用無皂乳液聚合法合成具有單一粒徑的聚苯乙烯(PS)膠體微球；然后,用垂直沉積法成功地制備了微球粒徑在200230nm,厚度在24μm的光子晶體正模板。在利用正模板拓撲光子

5、晶體結(jié)構(gòu)TiO2薄膜的實踐中,本課題利用垂直沉積法將PS乳膠微球自組裝于FTO玻璃上形成膠態(tài)晶體薄膜作為光子晶體結(jié)構(gòu)正模板,在微球的間隙滲入鈦酸正丁酯的乙醇溶液,通過溶膠-凝膠形成二氧化鈦-聚苯乙烯復(fù)合材料,最后利用450℃高溫?zé)Y(jié),成功制備了大面積FCC排列、孔徑在150nm220nm、分布均勻的TiO2大孔徑的反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體。為優(yōu)化表面結(jié)構(gòu),我們自創(chuàng)了一種“三明治”填充法,并且根據(jù)不同制備條件得到產(chǎn)物的SEM照片,XRD衍射花

6、樣和TGA曲線分析了膠體填充、陳化、燒結(jié)中不同因素的影響,綜合比較結(jié)果優(yōu)化了制備工藝。為實現(xiàn)納米Au粒子對電極的修飾,則采用檸檬酸鈉還原四氯金酸(HAuCl4)制備粒徑在10nm100nm的納米Au粒子,并通過溶液揮發(fā)法將10nm20nm的納米Au自組裝于反蛋白石結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜之上。利用透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)分別觀察了納米Au粒子的形態(tài)以及它們在TiO2薄膜上的分布狀況,證明粒徑在10nm、20nm左右的

7、Au NPs的單一性與穩(wěn)定性較好。最后用全光譜分光光度計測量了摻Au前后薄膜的吸收光譜,證明摻Au后的TiO2薄膜拓展了在可見光范圍的吸收,說明納米Au粒子摻雜在電池光吸收的應(yīng)用中具有應(yīng)用潛力。應(yīng)用前面制備的Au NPs修飾的具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體TiO2薄膜,敏化后作為電極組裝成染料敏化電池(DSSC),測量了電池的I-V響應(yīng)曲線,并計算其電學(xué)參數(shù)。實驗證明光子晶體結(jié)構(gòu)的TiO2比另一個作為參照的普通結(jié)構(gòu)TiO2電極的Isc(短路