基于TiO2纳米管阵列的高效正面透光型染料敏化太阳能电池的制备及其光电性能
CdS敏化TiO_2纳米管的制备和性能研究
K e r s: C a o at l; Ti a o u e ra y wo d AS n n p ri e c 02n n t bsary; p oo lcrd h te to e e
自 19 9 1年 Grte 发 明染料 敏 化太 阳能 电池 以 azl 来, 有机 染料 敏化 太 阳 能 电 池逐 渐 成 为太 阳能 电池 研究领域 的一 个 热 点 研 究 方 向 j 。然 而 , 于有 机 由 染料 的不稳定 性 , 见光 易分 解 , 以及 有机 染料 的价 格
光 阳极 材 料 。 通 过 改 变 沉 积 液 的 溶 剂 和 控 制 沉 积 次数 , 究 不 同 量 的 C S对 T02纳 米 管 薄 膜 的 光 电 性 能 的 影 响 。 研 d i
结果 表 明 , 以 乙醇 、 在 甲醇 / 为 溶 剂 的条 件 下 , 环 沉 积 4次 后 制 备 的 C S T O 水 循 d / i 2光 阳 极 表 现 最好 的 光 电 转换 效 率 。
的方法 主 要是 化 学 浴 沉 积 法 , 然 这 种方 法 操作 简 虽 单 , 易实 现 , 是其 制备 的光 阳极材 料 的稳定 性较 容 但 差, 量子 点很 容 易溶 解脱 落 。鉴 于此 , 实验采 用连 本
续 离子 层 沉 积 法 制 备 C S敏 化 T 0 纳 米 管 , 种 d i2 这 方 法操作 简 单 , 易 实现 , 且还 可 以通过调节 盐 的 容 而
浓 度和沉 积 次 数 实 现 对 沉 积 的 C S量 子点 的量 的 d
控制。
比较 昂贵 , 响 了染 料 敏 化 太 阳能 电池 的应 用 。和 影 有机燃料 相 比 , 由于 无 机 纳 米半 导 体材 料 更 好 的光
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究随着经济的发展,人们生活水平的提高,人们逐渐意识到可持续发展的重要。
环境问题已严重影响现代文明的发展,有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康,开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。
纳米TiO2作为一种光催化材料,具有优异的物理和化学性质,因而被广泛应用和重点研究。
本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。
标签:纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能引言半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。
以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。
科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能,使其能在生产实践中广泛应用。
1、TiO2材料简介TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型,其中金红石是TiO2的高温相,锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。
在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。
锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV 与之对应的激发波长为387nm。
所以,TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性,在可见光下一般没有活性。
只有对它的结构进行改性,使它的禁带宽度得以缩小,才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。
改性的方式目前主要有以下几种方法:通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法,通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法,提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法,增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。
光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。
粒径的减小能够使表面原子增加,使光催化剂吸收光的效率显著提高,使其表面e一和h十的浓度增大,从而提高光催化剂的催化活性。
阳极氧化TiO2纳米管阵列的制备及其光电化学特性研究
Vo . No 2 1 8 .
Ap i 2 1 rl 01
材料 正是 一维 纳米 结 构材 料研 究 的热 点之 一 。 自从 发 现 碳 纳 米 管 l 1 l ,科 学 家 们 已经 通 以来
石 墨片 为 阴极 ,以05 t N 水溶 液 为 电解 液 , .w% HF 在 2V下恒 压 氧 化 3 ,反 应 完 毕后 迅 速 用 去离 子 0 h
效 率约 1 7 . %。 0
关键 词 : 二氧 化钛 ;纳米 管阵 列 ;阳极 氧化 ;光 电化 学
S l- r a ie o i O2Na o u eAr a s a rc t n a d e f o g n z d An d c Ti n t b r y :F b ia i n o
Z e gh u 4 0 0 ,C ia h n zo 5 0 hn) 1
(.Sae e a oaoy f u eh r t i s inU iesy h n c u 3 0 2 hn ) 2 tt K yL b rt pradMae a ,J i nvri ,C a gh n10 1 ,C ia r oS rl l t
艺的完善与发展 ,人们可以实现纳米管阵列不 同
管 径 、不 同 管 长 以及 不 同管 壁厚 的 可控 制 备 o 】
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在H 体系 中制备的TO纳米管 阵列 ,由于 F i
对管 径 和 管长 等可 控 范 围小 ,严 重 影 响 了其 在 多 方 面 的 性 能 ,其 他 氟 化 物 体 系 逐 渐 成 为 研 究 重
( 河南工业大学材料科学与工程 学院,河南 郑 州 400) 1 . 50 1 (. 2 吉林 大 学超 硬材 料 国家重点 实验 室 ,吉林 长春 1 0 1 ) 3 0 2
TiO_2纳米管阵列的制备及光电性能研究
Va l ue Eng i ne e r i ng
T i O2 纳米管 阵列的制备及光 电性能研究
F a b r i c a t i o n a n d P h o t o e l e c t r i c P r o p e r t i e s Re s e a r c h o f Ti O2 Na n o t u b e Ar r a y s
李娜 L I N a ; 林仕伟 L I N S l l i — w e i : 赵 玉伟 Z HA o Y u — w e i
( 海 南 大 学材 料 与 化 工 学 院热 带 岛 屿 资源 先 进 材 料 教 育 部 重 点 实验 室 , 海口5 7 0 2 2 8 ) ( K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d Ma t e i r a l s o f T r o p i c a l I s l a n d R e s o u r c e s , Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n, Ma n g i n e e i r n g S c h o o l f o H a i n a n U n i v e r s i t y , Ha i k o u 5 7 0 2 2 8 , C h i n a )
TiO2纳米管阵列的制备及光电性能研究
TiO2纳米管阵列的制备及光电性能研究作者:李娜林仕伟赵玉伟来源:《价值工程》2013年第23期摘要:用阳极氧化法制备出高度致密、有序的TiO2纳米管阵列。
利用SEM和XRD表征分析纳米管阵列的形貌和结构,并通过电化学瞬时光电流对TiO2纳米管阵列的光电化学特性进行了研究。
实验结果表明:经过500℃退火后的TiO2为掺杂有金红石相的锐钛矿的混晶结构。
随着退火温度升高到600℃,金红石型的晶相比例增加。
光电测试结果表明:随着退火温度升高,瞬时光电流减小,同时阳极氧化时间影响TiO2 纳米管阵列光电极的光电性能。
Abstract: TiO2 nanotube arrays were fabricated by anodic oxidation on a titanium sheet. The morphology and structure of the nanotube arrays were characterized by SEM and XRD. The photoelectric properties of the nanotube arrays electrodes were evaluated by transient photocurrents. The results show that the structure of nanotube arrays is a mixture phase of anatase and rutile annealed at 500℃. With the annealing temperature increasing to 600℃, the phase ratio of rutile increases. Photoelectric test results show that: the instantaneous photoelectric current decreases as the annealing temperature increases and at the same time, anodic oxidation time affects the photoelectric properties of nanotube arrays photoelectrode.关键词:阳极氧化;纳米管;光电流Key words: anodic oxidation;nanotube;photoelectric current中图分类号:O649 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)23-0305-020 引言高有序的TiO2纳米管阵列薄膜是近年来纳米材料研究的热点之一。
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇)
染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇) 染料敏化太阳能电池实验天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试姓名:蓝永琛班级:新能源材料与器件学号:20112500041一、实验目的1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。
2. 掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。
3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。
二、实验原理略三、仪器与试剂一、仪器设备可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶(500mL)、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。
二、试剂材料钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水四、实验步骤一、TiO2溶胶制备目前合成纳米TiO2的方法有多种,如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化学沉积法等。
本实验采用溶胶-凝胶法。
(1)在500mL的三口烧瓶中加入1:100(体积比)的硝酸溶液约100mL,将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。
(2)在无水环境中,将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中,将混合液充分震荡后缓慢滴入(约1滴/秒)上述三口烧瓶中的硝酸溶液中,并不断搅拌,直至获得透明的TiO2溶胶。
二、TiO2电极制备取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥,分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次,直至形成均匀液膜。
取出平置、自然晾干,再红外灯下烘干。
最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min 得到锐态矿型TiO2修饰电极。
可用XRD粉末衍射仪测定TiO2晶型结构。
三、染料敏化剂的制备和表征(1) 叶绿素的提取采集新鲜绿色幼叶,洗净晾干,去主脉,称取5g剪碎放入研钵,加入少量石油醚充分研磨,然后转入烧杯,再加入约20mL石油醚,超声提取15min后过滤,弃去滤液。
银金修饰TiO2纳米管阵列光阳极的制备及其光伏性质
将钛 箔切 割成 1c × m 的小 条 , m 5c 经化 学 抛 光后 , 用 丙酮 、 无水 乙醇和 去离 子水 依次 超 声 波 清洗 ; 后 然
定 的优点 , 为 国 内外 竞相 研究 的热 点 , 其 在 工业 成 但
收 稿 日期 :0 0—1 21 0—0 8 基金项 目: 国家 自然 科 学 基 金 ( 0 7 10,0 7 0 2 、 北 工 业 大 学 基 础 研 究 基 金 ( P 5 9 10 5 6 18 ) 西 N U—F R—Z 20 3 ) 凝 固技 术 国家 重 点 实 验 室 自 F C 09 1 、 主 研 究 课 题 ( rn o3 G at .0一T N P一20 ) 西 北 工 业 大 学 研 究 生 创业 种 子 基 金 ( 2 10 2 Z 0 0 1 ) 助 项 目 。 09 , Z 0 10 , 2 10 1 资 第 一 作 者 简 介 : 莉 红 , , 读 硕 士 , 承 陈 福 义 教 授 。专 业 : 料 物 理 化 学 。E—m i ha l @yh ocn.n 樊 女 在 师 材 al fn9 ao.o c :c
膜 。 测量 光 电流 密度 一电压 ( 一 曲线 和 电化 学 阻抗谱 ( I) I ) , E S 发现 : 比纯 TO 纳 米 管阵 列 , 相 i 经过 A 修 饰后 的 TO 阵列 其短路 电流 密度和 开路 电压 最 大可 以分 别提 高到前 者 的 4 9和 1 7倍 , 且 g i, . . 并
c r d b h n d z to r m ia i m ola d mo i e t n n iss ra e u i g ee to e o i ae y t e a o iai n fo tt n u f i n df d wi Ag a d Au o t u f c sn l cr d p s— i h to i n,p t d p sto n a u m put rn hoo e o iin a d v c u s t i g,r s e t ey i h sp p r e e p ci l n t i a e .Th c n i g ee to c o c p v e s a n n l cr n mir s o e
染料敏化太阳能电池-化学与物理电源基础实验讲义1
天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是最近发展起来的,优点在于其廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。
其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10.寿命能达到20年以上。
但是TiO2的禁带宽度为3.2eV,只能吸收波长小于375nm的紫外光,为了使其吸收红移至可见光区,增大对全光谱范围的响应,1991年,瑞士洛桑高等工业学院(EPFL) Gratzel研究小组开发了染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell,简称DSSC),它是由吸附染料光敏化剂(过渡金属钌的有机化合物染料)的纳米二氧化钛(TiO2)多孔薄膜制成的新型光化学电池。
其光电转换效率达7.1%。
1993年,他再次报道了光电转换效率达10%的TiO2染料电池,1998年,该研究组进一步研制出全固态DSSC,使用固体有机空穴传输代替液体电解质,单色光光电转化效率达到33%,从而引起了全世界的科学家对染料敏化太阳能电池的关注。
近年来,染料敏化太阳能电池的研究主要集中在阳极材料的改性、染料的改进、电解质的研究、以及阴极对染料敏化太阳能电池的影响等。
本实验主要研究不同的染料敏化剂和不同的敏化方法对TiO2太阳能电池光电转换效应的影响。
【实验目的】(1)了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。
(2)掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。
(3)掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。
【实验原理】一、DSSC结构和工作原理DSSC结构:染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治”结构, 如图1所示,主要由以下几个部分组成: 导电玻璃、染料光敏化剂、多孔结构的TiO2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。
其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极,铂电极叫做对电极或光阴极。
纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试实验报告
纳米二氧化钛太阳能电池的制备及其性能测试一、前言1.1实验目的(1)了解纳米二氧化钛染料敏化太阳能电池的组成、工作原理及性能特点。
(2)掌握合成纳米二氧化钛溶胶、组装成电池的方法与原理。
(3)学会评价电池性能的方法。
1.2实验意义随着世界各国的工业发展,煤、石油等传统能源的使用量急剧增长,寻找干净的新能源成为当务之急。
太阳能是唯一种永不枯竭的清洁能源,受到众多研究者的青睐。
目前市场上的太阳能电池种类较多,其中硅半导体太阳能电池占了绝对的优势,另外还有无机半导体太阳能电池、p-n结型太阳能电池等。
1991年Gratzel等制备了TiO2太阳能电池,把多吡啶钌配合物吸附在多孔膜上,制作成染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池,简称DSSC。
该太阳能电池的光电转换效率大于10%,且具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。
只要有太阳光,DSSC就可以一次投资而长期使用。
1.3文献综述与总结1991年瑞士学者Grätzel等在Nature上发表文章,提出了一种新型的以染料敏化二氧化钛纳米薄膜为光阳极的光伏电池,现称为Grätzel型电池。
这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新。
目前,此种电池的效率已稳定在10%左右,成本比硅太阳能电池大为降低,且性能稳定。
纳米TiO2的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大,纳米TiO2的粒径小,比表面积越大,吸附能力越强,吸附染料分子越多,光生电流也就越强,所以人们采用不同方法使之纳米化、多孔化、薄膜化。
只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。
[1](1)半导体电极的制备目前,合成纳米TiO2的方法有溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等。
应用在DSSC中的TiO2多孔薄膜常用制备方法有胶体涂膜直接低温烧结法、水热法烧结、热液法烧结、微波烧结、紫外-化学气相沉积法等。
[1]溶胶凝胶法是用水解钛酸正丁酷(或无机钛盐,如TiCl4)制得TiO2胶体溶液,后经由浸渍、提拉、丝网印刷、旋涂等方法在导电基底上生长纳米高温锻烧制备出纳米TiO2电极,向溶胶中加入聚合物则有助于TiO2纳米晶粒径的大小的控制。
TiO2纳米管的制备及光电性能研究
1 材 料 和 方 法
11 T O 纳米管 的 制备 . i
选 用 工 业 纯 钛 片 ( T ) 95 , 金 相 砂 纸 W( i ≥9 .%) 用
T c n lg , h g a 0 0 3 C ia e h oo y S a h i 0 9 , hn ) n 2
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本 文 中 以乙二 醇 为 电解 液[ 在 r 箔 表 面制 备 高 5 1 r , i 度有 序纳 米管 阵列 , 利用 物相 分析对 TO 纳米 管 的退 i
火前 后及 经修 饰后 的物相 结构 进行 表征 。利用 扫描 电
纳 中 关键 词 : 米管 ;阳极 氧 化 ;敏 化
国
中 图分 类号 : B 2 T 31
( . l g f n r ya dP we n i e r g b C l g fM a r l a Col eo E eg n o r gn ei ; . ol e t i s e E n e o e a
S i n e a d En i e rng Un v r i fS a g a o c e c n c e c n g n e i , i e st o h y n h i rS i n ea d f
( 0 20 0目) 打磨 抛 光表 面 , 用去 离 子水 、 酮 、 丙醇 丙 异 超声 清洗 各 1 n 。以 N 4 ( 05 + 0mi, H F = . %) 乙二 醇+ O H2
( 3 作 电解 液 , 金属 片 为对 电极 , = %) 铂 室温 下 阳极氧
TiO_2基复合纳米材料的制备及其光催化性能研究
TiO_2基复合纳米材料的制备及其光催化性能研究面对日益严重的能源短缺问题和环境污染问题,寻找一种能够高效利用太阳能降解有机污染物的光催化剂成为当前研究的热点。
在众多光催化剂中,TiO<sub>2</sub>光催化材料表现出较高的催化活性,且其物理化学性质稳定、无毒副作用、费用低廉。
然而,传统的TiO<sub>2</sub>材料吸收光谱范围窄,禁带宽度较宽(3.2eV),只能被紫外光激发,对可见光的利用率较低。
因此,TiO<sub>2</sub>光催化材料的改性研究的重点在于拓宽其光响应范围,提高对可见光的吸收能力,使其充分利用太阳光。
基于此,本文将过度金属氧化物与TiO<sub>2</sub>复合,制备具有p-n结结构的复合纳米材料,并以典型有机污染物亚甲基蓝、邻氯苯酚以及可挥发性污染物(VOCs)的光催化降解实验考察各改性材料的光催化性能。
本文选取p型半导体NiO和Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>对TiO<sub>2</sub>进行改性,缩小TiO<sub>2</sub>的禁带宽度,提高对可见光的吸收能力,并通过构建p-n异质结形成半导体复合界面的内电场,抑制光生电子和空穴的复合,提高电子传输效率,从而提高纳米材料的光催化效率。
本文主要研究内容及结果如下:(1)水热法合成了NiO/TiO<sub>2</sub>复合纳米材料,通过TEM和HRTEM表征结果说明合成的NiO/TiO<sub>2</sub>光催化剂为平均直径180nm的棒状纳米材料,尺寸均匀且结构稳定,主要暴露晶面为锐钛矿型TiO<sub>2</sub>的101晶面和NiO的200晶面。
TiO2/SrTiO3异质结纳米管薄膜的制备及光电化学性能研究
TiO2/SrTiO3异质结纳米管薄膜的制备及光电化学性能研究Study on Preparation andPhotoelectrochemical Performance of TiO2/SrTiO3 Heterojunction NanotubeArrays领域:环境工程作者姓名:胡文丽指导教师:谭欣教授企业导师:张曙光高级工程师天津大学环境科学与工程学院二零一四年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名:签字日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。
特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:导师签名:签字日期:年月日签字日期:年月日摘要锐钛矿TiO2晶体通常暴露{101}晶面,而非高活性的{001}晶面,光生电子-空穴对复合率高,量子效率低,进而抑制了TiO2光催化活性。
此外,TiO2纳米材料具有较大的禁带宽度(3.2 eV),太阳光中仅占3~5 %的紫外光才能被其利用。
因此,这些缺点极大地限制了它的实际应用。
本研究中TiO2纳米管阵列被用作支撑反应物,与Sr(OH)2溶液反应,得到暴露TiO2{001}晶面的TiO2/SrTiO3纳米管阵列,该材料在紫外光下的光催化活性得到极大的提高。
采用扫描电显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼散射光谱(Raman)、X-射线能谱分析(XPS)等表征手段对样品进行分析。
SnSTiO2(Nb2O5)纳米复合材料制备及光电性能研究的开题报告
SnSTiO2(Nb2O5)纳米复合材料制备及光电性能研究的开题报告1. 研究背景近年来,纳米复合材料在光电领域中得到了广泛应用。
SnO2和TiO2是一些典型的半导体材料,具有优异的光电性能,然而它们的光催化活性很低。
因此在制备这些材料时,加入适量的掺杂剂或纳米材料可以提高它们的光催化活性。
Nb2O5掺杂剂是一种特别有效的材料,在纳米复合材料中被广泛应用。
本研究旨在制备SnO2/TiO2和SnO2(Nb2O5)/TiO2(Nb2O5)纳米复合材料,并研究它们的光电性能。
2. 研究内容本研究将分为以下几个方面:(1) 合成和表征SnO2/TiO2和SnO2(Nb2O5)/TiO2(Nb2O5)纳米复合材料。
采用溶胶-凝胶法合成,控制反应条件和材料浓度,调节复合材料结构和性能。
(2) 研究纳米复合材料的光电性能。
通过紫外-可见漫反射光谱、X射线光电子能谱和光致发光等技术研究复合材料的吸收和发射特性。
同时还将研究复合材料的电化学性能和光催化活性。
(3) 探究掺杂量和复合材料结构对光电性能的影响。
通过调节铌氧化物的掺杂量和调节复合材料结构,研究它们对光电性能的影响。
3. 预期成果本研究将得到以下预期成果:(1) 成功制备出SnO2/TiO2和SnO2(Nb2O5)/TiO2(Nb2O5)纳米复合材料。
(2) 研究和分析复合材料的光电性质,包括吸收和发射特性、电化学性能和光催化活性。
(3) 探究掺杂剂的掺杂量和复合材料结构对光电性能的影响。
4. 研究意义本研究的意义在于:(1) 制备出具有良好光电性质的纳米复合材料,为其在环境污染治理和光电器件制备等领域的应用提供了新的选择。
(2) 探究掺杂量和复合材料结构对光电性能的影响,为材料设计和合成提供了参考。
(3) 通过本研究,可以进一步深入了解纳米复合材料的光电性质,推动光电材料的发展。
染料敏化太阳能电池(DSSC)光阳极层TiO2浆料的制备
5
Confidential
2.2..3 设备 Ø 磁力搅拌机 Ø 超声波 Ø 旋蒸仪 Ø 研磨机:EXAKT 三辊机(缺)
3
Confidential Ø 胶体用三辊研磨机匀化 15 分钟,得到 TiO2 胶状物。待用。 Ø 分 别 用 乙 醇 溶 解 两 种 乙 基 纤 维 素 粉 末 EC1(5-15mPas, #46070, fluka) 和 EC2(30-50mPas, #46080, fluka)并配成 10wt%的乙醇溶液。 Ø 45 克 EC1 和 35 克的 EC2 的乙醇混合液加入到含有 16 克上述制备的 TiO2 胶状物和 64.9 克的无水松油醇(#86480, fluka),并且用 80 毫升的乙醇稀释得 到 280 毫升的总体积。 Ø 超声,搅拌,再超声。乙醇和水用旋蒸在 40 度下去除,最后胶体用研磨机 研磨,得到的纳米晶层 TiO2 浆料为 18wt%TiO2,9wt%EC 和 73%wt%的松油 醇。 Ø 纳米晶层 10nmTiO2 浆料的制备,具体方法类似 3.1,不同的是在 3.1 中的 胶化温度和时间。(缺)
2.2.4 制备方法 按照本制备方法的投料比,一次实验可制备出 20-30 克的纳米晶层 TiO2 浆
料。具体方法如下: Ø 取 6 克的 TiO2 粉末和 1ml 的乙酸混合,研磨 5 分钟; Ø 慢慢 1 毫升的水,研磨 1 分钟,重复 5 次; Ø 慢慢加入 1 毫升乙醇,研磨 1 分钟,重复 15 次; Ø 慢慢加入 2.5 毫升的乙醇,研磨 1 分钟,重复 6 次; Ø 慢用 100 毫升的乙醇,转移 TiO2 浆料到一个烧杯; Ø 用搅拌子搅拌(300rpm)1 分钟,间歇超声 2 分钟,然后再搅拌(300rpm)
染料敏化太阳能电池
华南师范大学实验报告学生姓名:蓝中舜学号:20120010027专业:新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级:12新能源课程名称:化学电源实验实验项目:染料敏化太阳能电池实验类型:验证设计综合实验时间:2014年6月5日-9日实验指导老师:孙艳辉组员:吕俊郭金海余启鹏一、实验目的1、了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。
2、掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。
3、掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。
二、实验原理DSSC 结构:染料敏化太阳能电池的结构是一种“三明治”结构, 如图1 所示,主要由以下几个部分组成: 导电玻璃、染料光敏化剂、多孔结构的TiO2半导体纳米晶薄膜、电解质和铂电极。
其中吸附了染料的半导体纳米晶薄膜称为光阳极,铂电极叫做对电极或光阴极。
DSSC 电池的工作原理:电池中的TiO2禁带宽度为3.2 eV,只能吸收紫外区域的太阳光,可见光不能将它激发,于是在TiO2膜表面覆盖一层染料光敏剂来吸收更宽的可见光,当太阳光照射在染料上,染料分子中的电子受激发跃迁至激发态,由于激发态不稳定,并且染料与TiO2薄膜接触,电子于是注入到TiO2导带中,此时染料分子自身变为氧化态。
注入到TiO2导带中的电子进入导带底,最终通过外电路流向对电极,形成光电流。
处于氧化态的染料分子在阳极被电解质溶液中的I- 还原为基态,电解质中的I3-被从阴极进入的电子还原成I-,这样就完成一个光电化学反应循环。
但是反应过程中,若电解质溶液中的I-在光阳极上被TiO2导带中的电子还原,则外电路中的电子将减少,这就是类似硅电池中的“暗电流”。
整个反应过程可用如下表示:其中,反应(5)的反应速率越小,电子复合的机会越小,电子注入的效率就越高;反应(6)是造成电流损失的主要原因。
光阳极目前,DSSC 常用的光阳极是纳米TiO2。
TiO2是一种价格便宜,应用广泛,无污染,稳定且抗腐蚀性能良好的半导体材料。
CdS/TiO2纳米管复合结构的制备与光电性能研究
关 键 词 :C d S / T i O 2 纳米管 ; 水 热 ;光 电化 学性 能
中 图分 类 号 : 0 6 4 3 ; O 6 1 4 . 2 4 + 2
文 献标 识 码 : A
文章 编 号 :1 0 0 1 — 4 8 — 0 7
D OI :1 0 . 3 9 6 9  ̄ . i s s n . 1 0 0 1 — 4 8 6 1 . 2 0 1 3 . 0 0 . 1 6 7
Fa b r i c a t i o n a n d Ph o t o e l e c t r o c h e mi c a l P e r f o r ma n c e o f Cd S / Ti O2 Na n o c o mp o s i t e
子, 形成 C d S F F i O 2 纳 米管 的 复 合结 构 。利 用 S E M、 X R D、 X P S 、 U V — V i s 等手 段 对 其 形 貌 和 结 构 进 行 表 征 。进 一 步 考 察 了 C d S / T i O 2 纳 米管 的光 电性 能 和 光 催 化 活 性 , 结果表明 , 相 比于 T i O 纳米管 , C d S / T i O : 纳 米 管 复 合 结 构 在 紫 外 光 和 可 见 光 下 都 具 有 更 好 的
c o mpa r e d wi t h p u r e Ti O2 na n o t u b e c a t a l y s t ,t h e p h o t o c a t a l y t i c a c t i v i t y o f CdS / Ti O2 c o mpo s i t e p ho t o c a t a l y s t wa s i mp r o v e d ma r k e d l y b o t h u n de r u l t r a v i o l e t a nd v i s i b l e l i g h t .
染料敏化太阳能电池的制备和性能
] 4 5 - : 的方程表示 [
也会造成光电流的损失 . 因此要提高光电流 , 必须尽可
5] ) ) 和( 的反应 [ 能地抑制 ( 3 6 .
及掀起了全球研究 D S S C 的热潮
[ ] 1 3 -
本文通过在光阳极导电玻璃基底上先用 T i C l 4 溶 液加上一层阻挡层薄 膜 , 以阻止进入光阳极导电玻璃
- 池的光电流 ; 提供 4)氧 化 态 的 染 料 分 子 通 过 接 受 I - 在镀铂的对电极上得到电子 的电子得以再生 ; 5) I 3 - - ; )T 还原为 I 此反应 6 i O 2 导带底 电 子 与 I 3 的 复 合,
理论转化率高 、 成本 低 廉 、 对 材 料 纯 度 要 求 低、 制造工 艺简单的特点而引起了全世界科学家广泛的研究兴趣 . - / 传输电子的 I D S S C 主要由吸附染料的光阳极 、 - - 催 化I 的P I t对 电 极 组 成 . D S S C 工作的 3 电解 质 、 3 原理是 : 染料分 子 受 光 照 被 激 发 , 然后电子注入 T i O 2 导带 , 被激发 的 染 料 分 子 最 终 在 对 电 极 被 P t还原而 - - / 对于含有 I I 得以再生 . 3 氧化 还 原 电 对 电 解 质 体 系 其光电转换过程可以用以下 组装的太阳能电池而 言 ,
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[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin .2014,30(3),446-452MarchReceived:November 15,2013;Revised:December 31,2013;Published on Web:January 2,2014.*Corresponding author.Email:lanzhang@;Tel:+86-189********.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (U1205112,51002053),Key Project of the Ministry of Education of China (212206),Program for Prominent Young Talents in Fujian Province University,China;Program for New Century Excellent Talents in Fujian Province University,China,and Promotion Program for Yong and Middle-aged Teacher in Science and Technology Research of Huaqiao University,China (ZQN-YX102).国家自然科学基金(U1205112,51002053),教育部科技重点项目(212206),福建省高校杰出青年研究人才计划项目,福建省高校新世纪优秀人才支持计划项目和华侨大学中青年教师科研提升资助计划(ZQN-YX102)资助©Editorial office of Acta Physico -Chimica Sinicadoi:10.3866/PKU.WHXB 201401022基于TiO 2纳米管阵列的高效正面透光型染料敏化太阳能电池的制备及其光电性能高素雯1兰章1,2,3,*吴晚霞1阙兰芳1吴季怀1,2,3林建明1,2,3黄妙良1,2,3(1华侨大学材料科学与工程学院,福建厦门361021;2环境友好功能材料教育部工程中心,福建厦门361021;3福建省高等教育功能材料重点实验室,福建厦门361021)摘要:报道了一种基于TiO 2纳米管(TNT)阵列正面透光型光阳极的高效染料敏化太阳能电池.将TNTs 在450°C 烧结后能避免其有序结构在HF 处理过程中被破坏,使膜内高速电子传输通道被保留,有利于染料敏化太阳能电池(DSSC)实现高速电荷传输.再用HF 、TiCl 4、HF 和TiCl 4混合等溶剂对TNTs 进行处理,提高其表面粗糙度以吸附更多染料.染料吸附量的增加能提高光阳极在300-570nm 波段光子捕获效率,该波段是染料吸收光子的主要区域.然而,在染料吸收光子较弱的长波段区域(570-800nm)光子捕获效率的增加主要源于光阳极光散射率的提高.光阳极光子捕获效率的提高使DSSC 的内外量子效率在全波段(300-800nm)均有所增加,从而使短路电流明显提高.从电化学阻抗数据可知,与电子传输性能密切相关的电化学参数如电荷传输电阻、界面电荷复合电阻、电容、电子寿命、电子扩散长度和电子收集效率等在含处理过的TNTs 光阳极DSSC 中均有所改善,从而提高电池光电转换效率.含HF 和TiCl 4混合溶剂处理TNTs 光阳极的DSSC 最高光电转换效率能达到7.30%,比未处理的DSSC (5.38%)提高35.69%.关键词:TiO 2纳米管阵列;染料敏化太阳能电池;光阳极;HF;TiCl 4中图分类号:O644;O649Fabrication and Photovoltaic Performance of High EfficiencyFront-Illuminated Dye-Sensitized Solar Cell Based onOrdered TiO 2Nanotube ArraysGAO Su-Wen 1LAN Zhang 1,2,3,*WU Wan-Xia 1QUE Lan-Fang 1WU Ji-Huai 1,2,3LIN Jian-Ming 1,2,3HUANG Miao-Liang 1,2,3(1Institute of Materials Physical Chemistry,Huaqiao University,Xiamen 361021,Fujian Province,P .R.China ;2EngineeringResearch Center of Environment-Friendly Functional Materials,Ministry of Education,Xiamen 361021,Fujian Province,P .R.China ;3Key Laboratory of Functional Materials for Fujian Higher Education,Xiamen 361021,Fujian Province,P .R.China )Abstract:An efficient front-illuminated dye-sensitized solar cell (DSSC)based on ordered TiO 2nanotube (TNT)arrays was prepared.Sintering at 450°C avoided damage of the ordered TNTs during HF treatment.Fast electron transport channels were maintained in the membrane,for efficient charge transportat in the DSSC.The sintered TNT membranes were subsequently treated with HF,TiCl 4,and HF combined with446GAO Su-Wen et al.:High Efficiency TiO2Nanotube Arrays Based Front-Illuminated DSSCsNo.3TiCl4.This formed a rougher surface,and allowed increased dye loadings.The increased dye loading improved the light harvesting efficiency of the photoanode at300-570nm wavelength range,which is the main absorption region of the adsorbed dye.The adsorbed dye had a low absorption at570-800nm wavelength range.The enhanced light harvesting efficiency of the photoanode originated from its increased diffuse reflectance.The incident-photon-to-current and absorbed-photon-to-current conversion efficiencies were increased over the entire300-800nm wavelength range.This resulted in an increased short-circuit current density of the DSSC.Electrochemical impedance spectroscopy indicated that electron transport and related parameters including charge transport resistance,interfacial charge recombination resistance,distributed chemical capacitance,electron lifetime,effective electron diffusion length,and collection efficiency were significantly improved in the DSSC containing the treated TNT photoanode.This also resulted in an enhanced photovoltaic performance.The maximum power conversion efficiency from combining HF and TiCl4treatments was7.30%,which was a35.69%enhancement compared with the non-treated DSSC(5.38%).Key Words:TiO2nanotube array;Dye-sensitized solar cell;Photoanode;HF;TiCl41IntroductionDye-sensitized solar cells(DSSCs)have been a researching focus among new types of solar cells since O′Regan and Grätzel first reported.1Compared with conventional silicon so-lar cells,DSSCs have an absolute advantage of low-cost and easy preparation.2,3Generally,the DSSC is composed of a dye-sensitized photoanode,an electrolyte typically containing the iodine/iodide redox couple,and a counter electrode.4The pho-toanode is usually composed of TiO2nanoparticles(TNPs).5 However,the TNPs based photoanodes have some drawbacks affecting the photovoltaic performance of DSSCs.For exam-ple,the existed random networks and large interfaces will re-sult in serious charge recombination between electrons and io-dide ions in the electrolyte;numerous boundaries among TNPs will trap electrons and induce short electron diffusion length.6 To solve the problems,researchers have attempted to synthe-size and utilize some ordered one-dimensional TiO2nanorods,7 nanowires,8and nanotubes in DSSCs.9As a promising alternative to traditional TNPs based photo-anodes in DSSCs,TiO2nanotubes(TNTs)have been attracting intensive interests.10Highly ordered,one-dimensional TNTs have been widely used in DSSCs,sensors,photocatalysis and water splitting.11-13Applied in DSSCs,TNTs have some outstanding properties.For one hand,one-dimensional TNTs can provide a vertical electron transport path which can effectively reduce charge recombination;for another hand,the less grain boundar-ies lead to higher electron mobility and faster electron trans-port speed compared with the TNPs based photoanodes.14How-ever,mainly due to low surface area,the photovoltaic perfor-mance of TNTs based DSSCs is still much lower than that of the TNPs based DSSCs.One efficient way to increase the sur-face area of TNT membranes and further increase the photovol-taic performance of DSSCs is to form secondary or hierarchi-cal structure.15,16However,the as-formed particle-connected secondary structure in the TNT membranes will partly destroy the fast ordered electron transport channels.Here,some im-provements are carried out to fabricate highly photovoltaic per-formance of TNTs based DSSCs through maintaining the fast ordered electron transport channels in the TNT membranes and increasing surface roughness for enhancing dye loading amounts at the same time.2Experimental2.1MaterialsAll solvents and reagents were of AR grade quality and were used as received.2-propanol,concentrated nitric acid(65% (w)aqueous solution),ethanol,ethylene glycol,ammonium flu-oride,hydrofluoric acid,H2O2(30%(w)aqueous solution),tet-ra-n-butyl titanate,acetic acid,acetonitrile,titanium tetrachlo-ride,tetrabutyl ammonium iodide,4-tert-butyl pyridine,sodi-um iodide,iodine,and H2PtCl6∙6H2O were purchased from Sin-opharm Chemical Reagent Co.Ltd.,China.Ti-foils(0.2mm thick,99%(w)purity)were purchased from Baoji Yunjie Met-al Production Co.Ltd.Conductive glasses FTO glasses(fluo-rine doped tin oxide over-layer,sheet resistance15Ω∙□-1) were purchased from Nippon Sheet Glass Co.JP.N719dye (Ru[LL'-(NCS)2],L=2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid,L'=2, 2'-bipyridyl-4,4'-ditetrabutylammonium carboxylate)from Dye sol.2.2Preparation of TiO2nanotube membranesTi foils(2cm×3cm)were treated with ultrasonic cleanser in deionized water,2-propanol,and ethanol for5min,respective-ly,and then rinsed with ethanol and dried at room temperature. The cleaned Ti foils were polished in a solution containing H2O(50%(volume fraction)),concentrated nitric acid(50% (volume fraction)),and NH4F(1.7%(w)vs the total weight of H2O and concentrated nitric acid).The polished Ti foils were subjected to a two-step anodization in electrolyte containing ethyl-ene glycol,H2O(0.5%(volume fraction)vs ethylene glycol), and ammonium fluoride(0.25%(w)vs ethylene glycol)at room ly,the polished Ti foils were firstly an-odized at60V for4h.After thermally treated at250°C for2h447Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30and cooled down to room temperature,they were anodized again at60V for5min.After two-step anodization,the Ti foils were rinsed with ethanol,dried at room temperature,and then immersed into H2O230%(w)aqueous solution for1h to de-tach the TNT membranes.2.3Preparation of photoanodes and assembling offront-side illuminated dye-sensitized solar cells The detached TNT membranes about12.5m m were incised into several pieces with area of0.1cm2(0.25cm×0.4cm)and adhered to FTO glasses using the paste containing10-20nm anatase TiO2nanoparticles prepared with the same method re-ported in the reference.17The thickness of the TiO2adhesive un-der-layer was about1μm.After sintered at450°C for30min, the TNT photoanodes were further treated with HF,TiCl4,and HF combining with TiCl4.The details are as follows.HF treat-ment:the TNT photoanodes were dipped in0.35%(volume fraction)HF aqueous solution at room temperature for1h,and then sintered again at450°C for30min.TiCl4treatment:the TNT photoanodes were dipped in0.05mol∙L-1TiCl4aqueous solution at90°C for30min,and then sintered again at450°C for30min.HF combining with TiCl4treatments:the TNT pho-toanodes were treated with HF solution and TiCl4solution with the methods as above mentioned in sequence.The as-prepared TNT photoanodes were sensitized in0.25mmol∙L-1anhydrous ethanol solution of N719dye for24h at room temperature. The sensitized TNT photoanodes were rinsed with anhydrous ethanol and dried in air.Pt counter electrode was prepared with the same method reported in the reference.18The DSSC was as-sembled as follows.Firstly,a drop of electrolyte was dripped into the sensitized TNT photoanode,and then a piece of Pt counter electrode was placed above the photoanode.Secondly, the two electrodes were clipped together and a cyanoacrylate adhesive was used as sealant to seal the cell.Bisphenol A ep-oxy resin was used in a further sealing process.The liquid elec-trolyte contained0.4mol∙L-1sodium iodide,0.1mol∙L-1tetra-butyl ammonium iodide,0.5mol∙L-14-tert-butylpyridine,and 0.05mol∙L-1iodine in acetonitrile solution.2.4MeasurementsThe surface morphologies and thickness of TNT membranes were characterized by a field emission scanning electron mi-croscopy(FESEM,S-4800,HITACHI,Japan).X-ray diffrac-tion(XRD)measurements were carried out with a Bruker D8 ADV ANCE(Germany),using Cu Kα1radiation(λ=0.15418 nm).A UV-Vis2550spectrophotometer(Shimadzu,Japan)was employed to measure UV-Vis absorption and reflectance spec-tra.Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)measure-ments were performed using a CHI660C electrochemical workstation(CH Instrument Inc.,USA).The impedance spec-tra were analyzed by an equivalent circuit model interpreting the characteristics of DSSCs with Zview software.19Photovolta-ic tests were carried out by measuring photocurrent-voltage (I-V)characteristic curves under simulated AM1.5G solar illu-mination at100mW∙cm-2from a xenon arc lamp(CHF-XM500,Trusttech Co.,Ltd,China)in ambient atmosphere and recorded with a CHI660C electrochemical workstation.All of the samples were measured three times and the average data were taken.Incident-photon-to-current conversion efficiency (IPCE)curves were measured as a function of wavelength from300to800nm using the Newport IPCE system(New-port,USA).3Results and discussionFig.1shows X-ray diffraction patterns of TNT membranes treated with HF and TiCl4solutions,respectively,and the origi-nal non-treated sample after sintered at450°C for30min.The standard2q characteristic peaks of anatase TiO2according to the JCPDS#21-1272are at25.3°,37.55°,47.85°,53.75°, 55.05°,and62.35°,which are all existed in the three samples, so the crystal structures of the samples are all anatase.20The dif-fraction intensity of HF solution treated sample is stronger than the other two samples,so its crystallinity is higher than the oth-ers.Fig.2shows SEM images of top and cross-sectional views of TNT membranes without and with HF,TiCl4,and HF combin-ing with TiCl4treatments.It is seen that the non-treated TNT membrane is composed with highly ordered TNT array with smooth surfaces.After HF treatment,the top ends of former in-dividual TNTs are connected together to form a thin porous lay-er on up-side of the membrane;and the original structure of or-dered TNT walls does not obviously change except for a little rougher.However,after TiCl4or HF combining with TiCl4treat-ments the morphologies of TNT membranes are changed signif-icantly compared with that of the non-treated TNT membrane. Firstly,the porous top-side morphology disappears and is sub-stituted by a compact layer composed with nanoparticles.Sec-ondly,there appear many nanoparticles both on the inner and outer surfaces of TNT paring Fig.2(e,f)and Fig.2 (g,h),one can see that the nanoparticles on the top-side of the membrane in HF combining with TiCl4treated sample are big-ger than the others.Fig.3shows SEM images of back-side view of TNTmem-Fig.1X-ray diffraction patterns of TNT membranes aftersintered at450°C for30min(a)HF treated,(b)TiCl4treated,(c)non-treated448GAO Su-Wen et al .:High Efficiency TiO 2Nanotube Arrays Based Front-Illuminated DSSCsNo.3branes as prepared and corroded by 30%(w )H 2O 2aqueous so-lution and the cross-sectional image of TNT photoanode.One can observe that the back-side of TNT membrane is composed with ordered close-end semisphere-like TNT layer by the sec-ondary anodization.Due to the miss of thermal treatment,the formed secondary TNT layer can be easily corroded by H 2O 2re-agent.21From Fig.3(b,c),we can see that the thin TNTs under layer disappear after H 2O 2corrosion;and the newly formed un-der layer is porous,which is beneficial for strongly adhered to FTO glasses with TiO 2nanoparticle paste.Moreover,the through structure as shown in Fig.3(d)can provide a direct electron transport channel to FTO glasses by omitting the close-end under layer in the membrane,and improve the penetrabili-ty of electrolyte in the photoanode.22Fig.4(A,B)shows the UV-Vis diffused reflectance spectra of TNT membranes and absorption spectra of TNT photoanodes.The light scattering ability of the TNT membranes is improved obviously after HF and TiCl 4treatments as shown in Fig.4(A).The changed top-side morphologies and the increasedrough-Fig.2SEM images of top and cross-sectional views of TNTmembranes(a,b)non-treated samples;(c,d),(e,f),(g,h):HF,TiCl 4,and HF+TiCl 4treated samples,respectivelyFig.3SEM images of back-side views of TNT membranes(a)two-step anodized sample,(b,c)samples after corroded by 30%(w )H 2O 2aqueous solution;(d)cross-sectional image of TNTphotoanodeFig.4UV-Vis diffused reflectance spectra of TNT membranes (A);absorption (B)and LHE (C)spectra of TNT photoanodesThe curves from a to d are related to the HF combining with TiCl 4,TiCl 4,HFtreated samples,and non-treated one,respectively.449Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30ness of the TNT walls as discussed above mainly response for the changed diffused reflectance of the TNT membranes.From Fig.4(B),it is seen that the treated samples all show enhanced light absorbance compared with the non-treated one.The in-creased roughness of TNTs can increase dye-loading amounts (as listed in Table1),resulting in the enhanced light absor-bance in the short-wavelength region(300-570nm);and the in-creased light scattering ability of the TNT membranes is main-ly responsible for the enhanced light absorbance in the long-wavelength region(570-800nm).23The light harvesting effi-ciency(LHE)[LHE(l)=1-10-ABS(l),where ABS(l)is absor-bance of the photoanodes of the samples]shown in Fig.4(C) can reflect the effects of the treatments more directly.24 Photovoltaic performance of DSSCs based on TNT photo-anodes with different treatments is presented in Fig.5,and the corresponding parameters:short-circuit current density(J sc), open-circuit voltage(V oc),fill factor(FF),and power conver-sion efficiency(PCE)are listed in Table1.We can see that the values of J sc of DSSCs with the treated photoanodes are all im-proved compared with the original non-treated one;and the TiCl4treatment shows higher efficiency in enhancing J sc than that of HF treatment.Moreover,by HF combining with TiCl4 treatments,J sc of the DSSC can further attain to a higher value. As aforementioned,the increased dye-loading amounts and light harvesting efficiency are the main reasons for the en-hanced J sc,which can be verified by measuring the IPCE perfor-mance of the DSSCs.As shown in Fig.6(A),one can observe that the DSSCs with the treated photoanodes show enhanced IPCE;and the change tendencies are consistent with that of J sc.The absorbed-photon-to-current conversion efficiency(APCE),which is derived from the IPCE and LHE[APCE(%)=IPCE(%)/LHE(%)],24,25is also shown in Fig.6(B)to more directly demonstrate the im-proved photon-to-electron conversion ability of DSSCs with the treated photoanodes.From the data,it is seen that TiCl4 treatment can efficiently enhance the APCE of the DSSC in all wavelength region;and by combining with HF treatment,a higher APCE is obtained.The TiCl4and HF combining with TiCl4treated samples have maximum APCE about84.90%at 510nm and89.55%at530nm,respectively.Moreover,the two samples also show high APCE(exceeding20%)in the near-infrared long-wavelength region(700-770nm).Howev-er,the DSSC with non-treated one shows a lower APCE(be-low10%)in the same wavelength region.From the photovoltaic parameters of the DSSCs presented in Table1,it is found that the changes of V oc are small;whereas the values of FF are decreased obviously after treatments.The reason may be owing to the increased density of the TNT mem-branes by fitting the new generated TiO2nanoparticles,which results in hindering the deep penetration of electrolyte into TNTs and enhancing the resistance of the DSSCs.Even so,ow-ing to the largely enhanced J sc,the PCE of the DSSCs with the treated photoanodes is still improved.The best PCE of the DSSCs can attain to7.30%by HF combining with TiCl4treat-ments,with35.69%enhancement compared with the non-treat-ed DSSC(5.38%).The EIS measurements are carried out to deeply detect the electron transport and kinetic properties in the DSSCs with non-treated and treated TNT photoanodes as shown in Fig.7 (A).A transmission line model(Fig.7(B))is used to describeTable1Photovoltaic parameters of DSSCs as shown in Fig.5Photoanodeabcd 108C dye/(mol∙cm-2)4.7184.4204.0883.960J sc/(mA∙cm-2)14.9012.4610.189.52V oc/V0.7460.7600.7520.746FF0.6570.7110.7430.757PCE/%7.306.735.695.38Fig.5Photocurrent density-voltage curves of DSSCs based onTNT photoanodesThe curves from a to d represent the same samples as shown inFig.4.Fig.6IPCE(A)and APCE(B)spectra of DSSCs based onTNT photoanodesThe curves from a to d represent the same samples as shown in Fig.4. 450GAO Su-Wen et al .:High Efficiency TiO 2Nanotube Arrays Based Front-Illuminated DSSCsNo.3the kinetic processes of the DSSCs.The corresponding parame-ters:charge transport resistance R tr (R tr =r tr L ),interfacial charge recombination resistance R r (R r =r ct /L ),distributed chemical ca-pacitance C u (C u =c u L ),electron lifetime t n (t n =R r C u ),effective electron diffusion length L n [L n =L (R r /R tr )0.5],and collection effi-ciency ηcol =R r /(R r +R tr )are summarized in Table 2(where L is the thickness of the TNT membrane).26From the data,one can observe that HF treatment can sup-press the recombination reaction efficiently (due to the obvi-ously increased R r compared with the non-treated one),so the ηcol and L n increase,resulting in the improved photovoltaic per-formance of the DSSC.For TiCl 4treatment,the value of R r is increased greatly.Owing to the increased value of R tr at the same time,the enhancements of ηcol and L n are little lower than that of HF treated sample,whereas they are still higher thanthat of the non-treated one,so the DSSC can generate high J sc by combining with the largely increased t n .Using HF combin-ing with TiCl 4treatments,the values of EIS key parameters such as R r ,ηcol ,L n ,and t n are all further enhanced,so the PCE of the DSSC can attain to a higher value.It also can be seen that the TiCl 4and HF combining with TiCl 4treated samples show higher R tr than that of the non-treated one,which may re-sult in lower values of FF.The values of C u ,reflecting the sur-face area variation,are increased in the DSSCs with treated TNT photoanodes,which is consistent with the increased roughness of the TNTs.4ConclusionsHigh efficiency front-side illuminated dye-sensitized solar cells based on ordered TNTs have been successfully prepared.It is found that the high temperature sintering process can avoid damage of the ordered TNTs by HF treatment and main-tain the fast electron transport channels in the membranes.Fol-lowing with HF,TiCl 4,and HF combining with TiCl 4treat-ments,the TNTs become rougher,resulting in the increased dye loading amounts,light scattering ability,and light harvest-ing efficiency,which are all beneficial for improving the IPCE of DSSCs.The EIS analysis reveals that some key parameters describing the kinetic processes of DSSCs are made better af-ter the HF or TiCl 4treatment,especially the sample treated with HF combining with TiCl 4,which can attain to the highest power conversion efficiency about 7.30%,with 35.69%en-hancement compared with the non-treated DSSC (5.38%).References(1)O'Regan,B.;Grätzel,M.Nature 1991,353,737.doi:10.1038/353737a0(2)Bella,F.;Bongiovanni,R.;Kumar,R.S.;Kulandainathan,M.A.;Stephanc,A.M.J.Mater.Chem.A 2013,1,9033.doi:10.1039/c3ta12135f (3)Xin,X.;He,M.;Han,W.;Jung,J.;Lin,Z.Angew.Chem.Int.Edit.2011,50,11739.doi:10.1002/anie.201104786(4)Grätzel,M.Nature 2001,414,338.doi:10.1038/35104607(5)Shu,W.;Liu,Y .;Peng,Z.;Chen,K.;Zhang,C.;Chen,pd .2013,563,229.doi:10.1016/j.jallcom.2013.02.086(6)Frank,J.;Kopidakis,N.;Lagemaat,J.Coord.Chem.Rev .2004,248,1165.doi:10.1016/r.2004.03.015(7)(a)Liu,R.H.;Zhang,S.;Xia,X.Y .;Yun,D.Q.;Bian,Z.Q.;Zhao,Y .L.Acta Phys.-Chim.Sin .2011,27,1701.[刘润花,张森,夏新元,云大钦,卞祖强,赵永亮.物理化学学报,2011,27,1701.]doi:10.3866/PKU.WHXB20110734(b)Lan,Z.;Wu,J.H.;Lin,J.M.;Huang,M.L.J.Inorg.Mater .2011,26,119.[兰章,吴季怀,林建明,黄妙良.无机材料学报,2011,26,119.](8)(a)Xiao,Y .M.;Wu,J.H.;Yue,G.T.;Lin,J.M.;Huang,M.L.;Fan,L.Q.;Lan,Z.Acta Phys.-Chim.Sin .2012,28,578.[肖尧Fig.7Nyquist plots of DSSCs based on TNT photoanodes at 0.6V applied forward bias under dark condition (A)and theequivalent circuit model (B)(A)The lines are fitting results with the equivalent circuit model.The curves from a to d represent the same samples as shown in Fig.4.(B)In the equivalentcircuit model,where r ct is the charge-transfer resistance of the charge recombination process between electrons in the TiO 2film and I 3-in the electrolyte;C u is the chemical capacitance of the TiO 2film;r tr is the transport resistance of the electrons in the TiO 2film;Z d is the Warburg element showing the Nernst diffusion of I 3-in the electrolyte;R Pt and C Pt are the charge-transfer resistance and double-layer capacitance at the counter electrode (platinized TCO glass),respectively;R s is the series resistance,including the sheet resistance ofthe TCO glass and the contact resistance of the cell.Table 2Parameters determined by fitting the EIS experimental data to the equivalent circuit shown inFig.7451Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30明,吴季怀,岳根田,林建明,黄妙良,范乐庆,兰章.物理化学学报,2012,28,578.]doi:10.3866/PKU.WHXB201201032(b)Feng,X.;Shankar,K.;Varghese,O.K.;Paulose,M.T.;Latempa,J.;Grimes,C.A.Nano Lett.2008,8,3781.(9)(a)Zhang,Z.Y.;Sang,L.X.;Sun,B.;Zhang,X.M.;Ma,C.F.Acta Phys.-Chim.Sin.2010,26,2935.[张知宇,桑丽霞,孙彪,张晓敏,马重芳.物理化学学报,2010,26,2935.]doi:10.3866/PKU.WHXB20101131(b)Hyeokapark,J.;Guakang,mun.2008,2867.(10)(a)Li,H.H.;Chen,R.F.;Ma,Z.;Zhang,S.L.;An,Z.F.;Huang,W.Acta Phys.-Chim.Sin.2011,27,1017.[李欢欢,陈润锋,马琮,张胜兰,安众福,黄维.物理化学学报,2011,27,1017.]doi:10.3866/PKU.WHXB20110514(b)Mor,G.K.;Shankar,K.;Paulose,M.;Varghese,O.K.;Grimes,G.A.Nano Lett.2006,6,215.(11)Jun,Y.;Park,J.H.;Kang,mun.2012,48,6456.doi:10.1039/c2cc30733b(12)(a)Su,Y.L.;Li,Y.;Du,Y.X.;Lei,L.C.Acta Phys.-Chim.Sin.2011,27,939.[苏雅玲,李轶,杜瑛珣,雷乐成.物理化学学报,2011,27,939.]doi:10.3866/PKU.WHXB20110401(b)Chang,W.T.;Hsueh,Y.C.;Huang,S.H.;Liu,K.I.;Kei,C.C.;Perng,T.P.J.Mater.Chem.A2013,1,1987.(13)Zhang,Z.;Wang,P.Energy 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Sinica年,卷(期):2014(3)本文链接:/Periodical_wlhxxb201403007.aspx。