Hybrid solar cells based on CuInS2 and organic buffer–sensitizer layers
利用电沉积-溶剂热-硒化技术提高基于二硒化镍对电极的染料敏化太
2019,Vol.33,No.12 www.mater⁃ jiangqingsong05@DOI :10.11896/cldb.18100196基金项目:国家自然科学基金青年基金(61804062);淮阴工学院自然科学基金(17HGZ003) This work was financially supported by the National Natural Science Foundation Youth Fund of China (61804062),the Science Research Foundation of Huaiyin Institute of Technology (17HGZ003).利用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术提高基于二硒化镍对电极的染料敏化太阳能电池的填充因子蒋青松1,,陈俊文2,杨子莹1,李文波2,程文杰2,胡 光21 淮阴工学院电子信息工程学院,江苏省湖泊环境遥感技术工程实验室,淮安2230032 淮阴工学院数理学院,淮安223003为了促进绿色可再生能源的开发利用,提高低成本染料敏化太阳能电池(DSCs )的光伏性能显得十分重要㊂对电极作为DSCs 的重要组成部分,直接影响其光伏性能㊂针对硒化镍对电极的电催化性能及其光伏性能有待提高等关键问题,学者们已采用多种合成技术调控硒化镍的形貌与物相,从而提高硒化镍对电极的电催化性能㊂研究表明,二硒化镍(NiSe 2)纳米材料由于具有较多的边缘活性位点而展现出较好的导电性与催化性能㊂然而,与基于铂电极的电池器件相比,基于NiSe 2对电极的DSCs 表现出相对较小的填充因子㊂本工作利用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术设计构建出一种新型NiSe 2对电极㊂其中以氟掺杂二氧化锡(FTO )导电玻璃为基底,采用恒电势电化学沉积技术制备了Co (OH )2薄膜,并以其为生长点通过溶剂热法合成镍基金属有机框架(Ni⁃MOF )结构,进一步以硒粉为硒源在氩气环境下进行硒化处理制备NiSe 2纳米材料㊂SEM ㊁TEM ㊁XRD 与XPS 测试结果表明:所制备的样品是由纯相NiSe 2物相构成;NiSe 2纳米材料呈现出颗粒状形貌,且平均粒径约为500nm ;NiSe 2纳米材料均匀生长在FTO 导电玻璃表面上,可直接作为DSCs 的对电极㊂循环伏安(CV )曲线㊁电化学阻抗谱(EIS )及塔菲尔(Tafel )极化曲线分析表明,NiSe 2对电极展现出较窄的峰⁃峰间距,较小的串联电阻㊁电荷传输电阻㊁能斯特扩散阻抗以及较大的还原峰电流密度和交换电流密度,预示着NiSe 2对电极具有良好的电催化性能㊂这是由于结晶度较高的纯相NiSe 2纳米材料具有丰富的边缘活性位点;电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术有效改善了NiSe 2纳米材料在FTO 导电玻璃上的附着强度,有利于电子的有效转移㊂此外,光电流密度⁃电压(J ⁃V )曲线表明由NiSe 2对电极组装的DSCs 呈现出优异的光伏性能,其能量转换效率(PCE )高达7.63%,高于铂电极组装的DSCs (7.21%),其填充因子从0.65增大到0.70,可能是由于NiSe 2对电极总电阻较小㊂本工作设计的新型NiSe 2对电极不仅具有优异的电催化性能,还成功改善了基于NiSe 2对电极的DSCs 的填充因子,并有效提高了DSCs 的光伏性能㊂关键词 二硒化镍 染料敏化太阳能电池 电沉积 溶剂热 硒化中图分类号:TM914.4 文献标识码:AImproved Fill Factor of Dye⁃sensitized Solar Cells with Nickel Diselenide Counter Electrode by Electrodeposition⁃Solvothermal⁃Selenization TechniqueJIANG Qingsong1,,CHEN Junwen 2,YANG Ziying 1,LI Wenbo 2,CHENG Wenjie 2,HU Guang 21 Jiangsu Engineering Laboratory for Lake Environment Remote Sensing Technologies,Faculty of Electronic Information Engineering,Huaiyin Institute of Tech⁃nology,Huai’an 2230032 Faculty of Mathematics and Physics,Huaiyin Institute of Technology,Huai’an 223003The photovoltaic performance of low⁃cost dye⁃sensitized solar cells (DSCs)should be further improved to promote the development and utili⁃zation of green renewable energy.The photovoltaic performance can be directly affected by counter electrode (CE)as an important part of DSCs.However,the photovoltaic performance of DSCs based on nickel selenides CE can be further improved.Therefore,the further enhance the electrocatalytic performances of nickel selenide CEs is one of the key scientific problems.To improve the electrocatalytic performances of nic⁃kel selenide CEs,various synthetic techniques have been used to control their morphology and phase.Specially,previous researches have shown that NiSe 2nanomaterials exhibit good electronic conductivity and catalytic activity due to the more edge active sites.However,the DSC assembled from NiSe 2CE shows the relatively smaller fill factor than that of the DSC assembled from platinum (Pt)CE. In this work,we have demonstrated the electrodeposition⁃solvothermal⁃selenization technique to design and fabricate NiSe 2CE.The fluorine⁃doped tin oxide (FTO)glass was used as substrate to synthesize Co(OH)2films by a potentiostatic electrodeposition technique.The nickel me⁃tal⁃organic frameworks (Ni⁃MOF)were fabricated on the Co(OH)2films by solvothermal method.And then selenium powder was used as sele⁃nium source to prepare NiSe 2nanomaterials in an argon atmosphere by selenization technique.The results from SEM,TEM,XRD patterns,and XPS spectra demonstrate that as synthesized samples are composed of the pure phase NiSe 2.NiSe 2nanomaterials appear as irregular nanopar⁃ticles with the average size of about 500nm.And NiSe 2nanomaterials uniformly grow on the surface of FTO glass,which can be directly applied as CE of DSCs.NiSe 2CE was characterized by cyclic voltammetry (CV)curves,electrochemical impedance spectroscopy (EIS),and Tafel po⁃larization curves to analysis electrocatalytic activity.The results demonstrate that NiSe 2CE shows the narrower peak⁃to⁃peak potential separation,smaller series resistance,charge transfer resistance,the Nernst diffusion impedance,and the larger reduction peak current density and exchange current density,which indicating the excellent electrocatalytic performances of NiSe 2CE.The reason for this is likely that the pure NiSe 2nanoma⁃terials with good crystallinity provides the more edge active sites.The adhesive strength between NiSe 2nanomaterials and FTO glass have been enhanced by the fabrication technique,which is beneficial to facilitate the electron transfer.In addition,the photovoltaic performance of DSCs was carried out by photocurrent⁃voltage curves.It is found that the DSC based on NiSe 2CE exhibits the high photovoltaic performance,and achieves the larger energy conversion efficiency of 7.63%than that of the DSC with Pt CE (7.21%).In particular,the fill factor of DSCs is effectively im⁃proved from 0.65to 0.70,due to the small total resistance of NiSe 2CE. NiSe 2CE has been successfully designed and synthesized by the electrodeposition⁃solvothermal⁃selenization technique.As⁃prepared NiSe 2CE exhibits the excellent electrocatalytic performances,resulting in improving the photovoltaic performance of DSCs.Moreover,the fill factor of DSCs with NiSe 2CE has been effectively improved by the technique.Key words nickel diselenide,dye⁃sensitized solar cells,electrodeposition,solvothermal,selenization 04040 引言随着我国社会经济的快速发展,对清洁可再生能源的开发利用提出了更高的要求㊂太阳能作为可再生能源中的一种,受到了越来越多的关注㊂近年来,染料敏化太阳能电池(DSCs)作为有效利用太阳能的光伏发电技术之一,在便携式电子产品中拥有巨大的应用潜能[1]㊂通常情况下,DSCs是由光阳极㊁电解质㊁对电极等三部分构成的类 三明治”结构[2]㊂作为DSCs的关键组成部分,对电极不仅直接影响着电池器件的光伏性能,也影响着电池器件的制备成本[3]㊂铂电极作为最常见的DSCs对电极,虽然展现出优异的电催化性能,但是贵金属铂存在资源稀缺㊁成本高等缺点,严重制约了DSCs的规模化生产[3]㊂因此,开发利用性能优异㊁廉价的非铂对电极材料是发展DSCs的必然选择㊂近年来,已探索的对电极材料主要分为四类,即碳材料[4]㊁导电聚合物[5]㊁无机化合物(如碳化物[6]㊁氮化物[7]㊁氧化物[8]㊁硫化物[9]㊁硒化物[10⁃11])以及合金材料(如钴镍合金[12]㊁铂合金[13])㊂硒化镍纳米材料作为硒化物中的一种,不仅具有优异的光学㊁电学㊁磁学等特殊性能,而且呈现出良好的导电性㊁化学稳定性及催化活性[14]㊂唐群委等采用水热法直接在导电基底上制备了一系列具有不同化学计量比的硒化镍纳米材料,研究结果表明,基于Ni0.85Se及NiSe对电极的DSCs的光伏性能比基于铂电极的电池器件更加优异[15]㊂此外,前人也设计构建出NiSe2㊁Ni3Se4等多种对电极,相关电池器件均展现出较好的光伏性能[16⁃17]㊂同时,大量研究表明NiSe2纳米材料在理论上具有更多的边缘活性位点,更加有利于提高硒化镍对电极的电催化活性[18]㊂Bang等的研究表明,具有纳米带结构的NiSe2对电极呈现出较好的电催化性能,基于NiSe2对电极的电池的能量转换效率达到7.3%,略高于基于铂电极的电池的效率(7.2%)[16]㊂王忠胜等采用一步水热法制备了NiSe2对电极,研究发现,与基于铂电极的电池的转换效率(8.04%)相比,基于NiSe2对电极的DSCs 的能量转换效率有效提升至8.69%[19]㊂高艳芳等采用水热电化学沉积法及电沉积法均制备出NiSe2对电极,基于电池器件的光伏性能均优于基于铂电极的电池器件[20]㊂经对比分析,虽然基于NiSe2对电极的DSCs展现出优异的光伏性能,但其填充因子相对较小,仍有较大的提升空间㊂在过去的相关研究中已发现,NiSe2薄膜的一维纳米带阵列有助于加快电解质中氧化还原电对的扩散速度,但不利于电子快速有效的转移,导致电池具有极大的电荷传输电阻[16]㊂采用滴涂法制备的NiSe2薄膜与FTO导电玻璃之间的连接强度较弱,导致两者间产生了较大的界面电阻[19];采用水热电化学沉积法制备的NiSe2薄膜结晶度不高,导致其导电性相对较差,引起了较大的串联电阻[20]㊂由此可见,如何优化NiSe2对电极制备技术,进一步提高DSCs的填充因子及光伏性能,是目前DSCs领域的一个重点研究方向㊂众所周知,金属有机框架材料(MOF)作为无机⁃有机杂化材料中的一类,拥有超高的表面积㊁可调的孔径等特性,引起了越来越多研究者的关注[21]㊂目前,以MOF作为一种牺牲前驱体或牺牲模板,为设计构建出具有一定结构形貌与功能化的纳米材料提供了一种重要的技术手段[22]㊂这些衍生的纳米材料在能源存储与转换领域的应用呈现出爆发式增长㊂例如,以Co⁃MOF中空球为前驱体,采用硒化技术制备了CoSe2微球,其在析氧反应体系中展现出较好的催化活性[22];以Co⁃MOF为模板,采用硫化技术制备了复合CoS@碳纳米管纳米材料,其在超级电容器系统中展现出显著的比电容和良好的电化学稳定性[23];以Co⁃MOF为模板,经烧结获得Co3O4,再经硫化处理制备了CoS纳米材料,其展现出优异的电催化性能,使得基于CoS对电极的DSCs的能量转换效率高于基于铂电极的电池的效率[24]㊂同时,他们还发现,基于CoS对电极的DSCs拥有较大的填充因子(0.71),远高于基于铂电极的电池器件(0.64),这是由于CoS对电极具有较小的电荷转移电阻[24]㊂然而在过去的研究中,对以Ni⁃MOF 为牺牲前驱体合成NiSe2纳米材料,且将其作为DSCs的对电极提高器件填充因子的相关报道很少㊂本工作以电化学沉积技术和溶剂热技术为基础构建Ni⁃MOF结构,再经硒化处理技术制备NiSe2纳米材料㊂采用SEM㊁TEM㊁XRD及XPS等研究样品的表面形貌㊁成分㊁物相及表面元素价态㊂采用CV㊁EIS㊁Tafel极化曲线研究NiSe2对电极的电催化性能,利用J鄄V曲线研究DSCs的光伏性能㊂1 实验采用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术制备NiSe2对电极㊂第一步,Co(OH)2薄膜的制备[25]㊂首先配制电镀溶液,称取1.4552g六水合硝酸钴(Co(NO3)2㊃6(H2O))分散于50mL 去离子水中,即可获得硝酸钴电镀溶液;然后利用恒电势电化学沉积法进行电镀,以Ag/AgCl作为参比电极㊁尺寸为2.5cm×2.5cm的FTO导电玻璃作为工作电极㊁铂丝为辅助电极,电沉积电势为-0.8V,电镀时间为75s;最后利用去离子水冲洗FTO,经60℃干燥即可获得Co(OH)2薄膜㊂第二步,Ni⁃MOF薄膜的制备[26]㊂首先配制反应溶液,称取0.4362g六水合硝酸镍(Ni(NO3)2㊃6(H2O))和0.1662g 对苯二甲酸(PTA)分散于44mL N,N⁃二甲基甲酰胺(DMF)溶液中,并缓慢加入2mL0.4mol/L的氢氧化钠(NaOH)水溶液,搅拌30min;然后将反应溶液转移至60mL反应釜中,将Co(OH)2薄膜以导电面向下的方式置于反应釜中,并在120℃下热处理8h;最后取出样品用无水乙醇清洗数次,干燥后即可获得Ni⁃MOF薄膜㊂第三步,NiSe2对电极的制备[22]㊂首先称取0.1g硒粉和Ni⁃MOF薄膜同时置于坩埚中;然后在氩气环境下,将炉子从室温(升温45min)加热到450℃,保温90min;最后冷却至室温后取出即可获得NiSe2对电极㊂另外,在FTO导电玻璃上利用射频磁控溅射系统制备具有镜面效应的铂薄膜作为典型的Pt对电极[27]㊂采用开放式结构组装DSCs㊂首先利用三层3M Scotch 胶带调控TiO2薄膜的厚度,用直径为1.5cm的玻璃棒将TiO2浆料均匀刮涂到FTO导电玻璃上,并对其进行烧结处理;然后配制浓度为0.5mmol/L的N719染料的乙醇溶液,将烧结的TiO2薄膜置于上述溶液中,并在60℃下保存12h;最后以敏化的TiO2薄膜作为光阳极,置于小孔面积为0.2cm2的遮光板上,将所制备的对电极置于光阳极上,用夹子将其固定,并在两电极中间加入含有I-/I3-氧化还原电对的电解液,即可获得开放式的DSCs㊂1404利用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术提高基于二硒化镍对电极的染料敏化太阳能电池的填充因子/蒋青松等采用Quanta FEG 250型号的SEM 表征NiSe 2薄膜的表面形貌㊁元素含量及元素分布㊂采用Bruker D8Advance 型号的XRD 表征NiSe 2薄膜的物相㊂采用Tecnai G2F20型号的TEM 表征NiSe 2薄膜的表面形貌及晶格条纹㊂采用ThermoScientific 型号的XPS 表征NiSe 2薄膜的表面元素及价态㊂以校准过的光源(XQ 350~500W)作为太阳光模拟器,利用CHI660E 型号的电化学工作站测试DSCs 的J⁃V 曲线㊂为了进一步表征NiSe 2对电极的电催化性能,首先采用三电极体系测试对电极的CV 曲线,其中扫描速率为35~65mV /s,扫描电压为-0.3~1.5V;然后以相同对电极组装的对称电池为基础,测试对电极的EIS 和Tafel 极化曲线,其中EIS 的AC 振幅为10mV,频率为0.1~105Hz,Tafel 极化曲线的扫描速率为10mV /s,电势范围是-1.0~1.0V;最后进一步研究NiSe 2对电极的重复性,以光伏性能最佳的DSC 为基础,组装10个电池器件,分别测试其J⁃V 曲线,并研究四种光伏性能参数分布情况㊂2 结果与分析2.1 NiSe 2薄膜的形成机理本实验采用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术设计构建出一种新型NiSe 2对电极,其制备流程如图1所示㊂采用恒电势电化学沉积技术制备Co(OH)2薄膜,经参数优化,最佳电沉积电压为-0.8V,电沉积时间为75s㊂以Co(OH)2薄膜为生长点㊁六水合硝酸镍为金属镍源㊁对苯二甲酸为有机链,采用一步溶剂热法合成Ni⁃MOF 结构,经参数优化,最佳反应温度和时间分别为120℃和8h㊂由于Co(OH)2薄膜很薄,因此相对于Ni 含量来说,Ni⁃MOF 中钴的含量非常低,可以忽略不计㊂以Ni⁃MOF 结构为牺牲前驱体㊁硒粉为硒源,在氩气环境下的热处理过程中,Ni⁃MOF 结构中的镍与硒反应生成NiSe 2纳米材料,最佳热处理温度和时间分别为450℃和90min㊂图1 NiSe 2对电极的制备流程Fig.1 Schematic illustration of the synthetic technique of NiSe 2counter electrodesNiSe 2薄膜的表面形貌如图2a㊁b 所示㊂从图2中可以看出,NiSe 2薄膜是由大小相对不均匀的类球状纳米颗粒构成,纳米颗粒平均直径约为500nm,且表面光滑,纳米颗粒之间存在空隙,非常有利于I -/I 3-氧化还原电对的扩散㊂图2b e是NiSe 2薄膜的元素分布图,可以看出,所制备的样品含有Co㊁Ni 和Se 三种元素㊂其中,Co 均匀分布在FTO 导电玻璃上;Ni 和Se 的分布情况与样品形貌相关,且两种元素也是均匀分布在样品中[28]㊂测试结果表明,样品中Co 的含量为0.22%(原子比,下同),Ni 的含量为32.33%,Se 的含量为67.45%㊂由此可见,Co 的含量极低,可以忽略不计㊂此外,Se 的含量几乎是Ni 的含量的两倍,可以推断出样品的化学式为NiSe 2㊂为了进一步验证该推断,对样品进行XRD 表征,结果如图2f 所示㊂从样品的XRD 谱中可以发现,2θ位于26.65°㊁37.95°㊁51.67°㊁61.47°㊁65.36°处的峰是FTO 导电玻璃的特征衍射峰[29];而2θ位于30.13°㊁33.73°㊁37.05°㊁42.97°㊁50.91°㊁55.72°㊁57.95°㊁72.72°处的8个明显的衍射峰归属于NiSe 2的(200)㊁(210)㊁(211)㊁(220)㊁(311)㊁(023)㊁(321)㊁(421)晶面(JCPDS 65⁃1843)[19]㊂综上所述,所制备的样品是由纯相NiSe 2构成㊂图2 NiSe 2薄膜的(a,b)SEM 图㊁(c e)EDS 元素分布图及(f)XRD 谱Fig.2 (a,b)SEM images,(c e)EDS mapping images and (f)XRD pattern of the NiSe 2filmNiSe 2薄膜的TEM 图如图3所示㊂从图3a 中可以发现,NiSe 2纳米材料呈现出颗粒状的结构形貌,且颗粒粒径大小不一,这与SEM 分析结果一致㊂从图3b中可以清晰地看到图3 NiSe 2纳米材料的TEM 图Fig.3 TEM images of NiSe 2nanomaterials2404材料导报(B ),2019,33(12):4040⁃4045大量的晶格条纹,晶格条纹的间距约为0.271nm,与NiSe2的(210)晶面的面间距(0.267nm)相当(JCPDS65⁃1843)[19]㊂TEM图中明显的晶格条纹和XRD谱中较强的特征衍射峰表明NiSe2纳米材料结晶度较好[28]㊂由此可进一步确定,实验成功制备出NiSe2纳米材料㊂图4是NiSe2薄膜的XPS能谱㊂从图4a中可以看出,样品表面含有碳㊁氧㊁镍和硒等元素,其中碳和氧元素可能来自于样品在空气中吸附的杂质㊂从图4b中可以看出,经高斯拟合后Ni2p能谱出现两对由自旋⁃轨道耦合相互作用产生的特征峰和两个卫星峰㊂其中结合能为873.7eV和855.5eV的两个特征峰分别归属于Ni2p1/2和Ni2p3/2,是由Ni2+产生;结合能为870.5eV和853.3eV的两个特征峰分别归属于Ni2p1/2和Ni2p3/2,是由Ni3+产生[30]㊂在图4c中, Se3d具有两个特征峰,结合能为55.6eV和54.7eV的特征峰分别归属于Se3d3/2和Se3d5/2,是由金属硒化物中金属⁃硒键合产生[31]㊂此外,结合能为59.0eV的特征峰是由样品表面硒的氧化态产生[32]㊂综上所述,采用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术可成功构建出NiSe2薄膜,其可直接作为DSCs的对电极㊂图4 NiSe2薄膜的XPS图:(a)全谱,(b)Ni2p和(c)Se3dFig.4 XPS spectra of(a)full spectra,(b)Ni2p and(c)Se3d for NiSe2film2.2 NiSe2对电极的性能研究以NiSe2薄膜为对电极,并将其与光阳极㊁电解液组装成开放式DSCs㊂图5a是由NiSe2对电极㊁铂电极组装的DSCs的J⁃V曲线,从J⁃V曲线中可获得电池的短路电流密度(J sc)㊁开路电压(V oc)及填充因子(FF),从而推导出电池器件的能量转换效率(PCE)㊂DSCs的各性能参数分析结果如表1所示㊂很明显,基于NiSe2对电极的DSCs展现出优异的光伏性能,其PCE高达7.63%(J sc=15.71mA/cm2㊁V oc=0.694V㊁FF=0.70),高于基于铂电极的电池效率(7.21%)㊂经对比发现,基于NiSe2对电极的DSCs光伏性能更高的原因主要是其V oc和FF比基于铂电极的电池大,这说明该技术有利于提高DSCs的光伏性能㊂表1 基于NiSe2与Pt对电极(CE)的DSCs光伏性能参数Table1 Photovoltaic performance parameters of DSCs based on NiSe2andPt CEsCE J sc/(mA㊃cm-2)V oc/V FF PCE/%Pt16.160.6860.657.21NiSe215.710.6940.707.63 为了进一步探究FF增大的原因,需对NiSe2对电极进行深入研究㊂图5b是采用三电极体系测试获得的CV曲线,将含有10.0mmol/L LiI㊁1.0mmol/L I2㊁0.1mol/L LiClO4的无水乙腈溶液作为电解液㊂从图5b中可以看出,Pt电极和NiSe2对电极CV曲线的左侧与右侧出现两对氧化还原峰,分别代表的氧化还原反应是:I3-+2e-⇌3I-和3I2+2e-⇌2I3-[33]㊂左侧的一对氧化还原峰能体现出两个重要的性能参数,即还原峰电流密度(J Red)㊁还原峰与氧化峰之间的距离(E pp)㊂一般情况下,J Red绝对值越大,E pp值越小,预示着对电极的电催化性能就越好[33]㊂从表2中可以看出,NiSe2对电极的J Red绝对值大于铂电极的值,且其E pp值远小于铂电极的值㊂这表明NiSe2对电极的电催化性能优于铂电极的电催化性能㊂此外,NiSe2对电极较小的E pp值也可提高基于NiSe2对电极的DSCs的V oc㊂表2 NiSe2对电极与Pt电极的电化学性能参数Table2 Electrochemical performance parameters of NiSe2and Pt CEsCEs E pp/V J RedmA㊃cm-2R s/ΩR ct/ΩZ N/ΩPt0.450.9436.784.5913.26NiSe20.331.1114.900.645.91 为了进一步验证上述结论,采取两个相同对电极㊁电解液组装成对称电池,并测试其EIS和Tafel极化曲线㊂图5c是对称电池的EIS奈奎斯特曲线,根据插图中的等效电路图,采用ZView软件对奈奎斯特曲线进行模拟[28]㊂从图5c中可以看出,基于NiSe2对电极和铂电极的电池的奈奎斯特曲线中均出现两个半圆,两对称电池的性能参数串联电阻(R s)㊁电荷传输电阻(R ct)㊁能斯特扩散阻抗(Z N)如表2所示㊂由图5c和表2可知,NiSe2对电极的R s值很小,表明NiSe2对电极的接触电阻㊁体电阻等电阻总和较小㊂一方面是由于以结晶度较高的Ni⁃MOF为牺牲前驱体制备的NiSe2薄膜具有较高的结晶度,有利于提高NiSe2薄膜的导电性;另一方面是由于以电化学沉积技术制备的Co(OH)2薄膜作为Ni⁃MOF生长点,经溶剂热与硒化过程后能够提高NiSe2薄膜与FTO导电玻璃之间的连接,从而有效降低界面电阻[29]㊂其次,NiSe2对电极具有很小的R ct值,表明NiSe2对电极呈现出较强的电荷转移能力㊂这可能是由于NiSe2物相自身拥有较多的边缘活性位点;同时,NiSe2薄膜具有颗粒状形貌,有利于提高薄膜表面积,从而增加表面活性位点的数目,改善对电极的电催化性能[22]㊂此外,NiSe2对电极具有较小的Z N值,表明I-/I 3-氧化还原电对在NiSe2对电极中具有较强的扩散能力㊂这可能是由于NiSe2薄膜具有多孔状结构形貌㊂综上可知,所制备的NiSe2对电极具有很小的R s㊁R ct和Z N,表明3404利用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术提高基于二硒化镍对电极的染料敏化太阳能电池的填充因子/蒋青松等NiSe2对电极的电催化性能优异,这与CV曲线分析完全一致㊂另外,NiSe2对电极由于拥有较小的总电阻(包含R s㊁R ct 和Z N),能够有效提高对应电池器件的填充因子㊂此外,本工作也将从电流密度角度进一步分析对称电池的电荷转移和扩散能力㊂图5d是对称电池的Tafel极化曲线㊂一般情况下,从极化曲线中可提取两个性能参数用于描述对电极的电催化性能㊂一方面,交换电流密度(J0)可由外推法寻找阴极分支和阳极分支的交点确定,且J0值越大,意味着电荷转移能力越强[34]㊂显然,NiSe2对电极的J0值大于铂电极的J0值,表明NiSe2对电极的电荷转移能力强于铂电极㊂同时,在理论上,J0值正好与电荷传输电阻R ct值成反比[34]㊂由表2可知,理论上NiSe2对电极的J0计算值也大于铂电极㊂另一方面,极限扩散电流密度(J lim)是由阴极分支与纵坐标的交点确定,且J lim值越大,意味着I-/I3-氧化还原电对扩散越快,对应扩散系数就越大[35]㊂从图5d可发现, NiSe2对电极的J lim值大于铂电极的J lim值,表明在NiSe2对电极上I-/I3-氧化还原电对的扩散能力强于铂电极㊂此外,在理论上,由于扩散系数与I-/I3-氧化还原电对的能斯特扩散阻抗图5 (a)由NiSe2对电极及Pt电极组装的DSCs的J⁃V曲线,(b)NiSe2对电极及Pt电极的CV曲线;分别由NiSe2对电极和Pt电极组装的对称电池的(c)EIS奈奎斯特图(插图是等效电路图)和(d)Tafel极化曲线(符号代表实验数据,实线代表模拟数据)Fig.5 (a)The J⁃V curves of DSCs based on NiSe2and Pt CEs,(b)CV curves of NiSe2and Pt CEs;(c)Nyquist plots of EIS(The inset exhibits the equiva⁃lent circuit)and(d)Tafel polarization curves of symmetrical cells based on NiSe2and Pt CEs(The symbols represent experiment data,the solid lines represent fittingresults)图6 在不同扫描速率下NiSe2对电极的(a)CV曲线㊁(b)氧化峰电流密度和还原峰电流密度与扫描速率平方根的关系;(c)基于NiSe2对电极的DSCs的光伏性能参数与电池器件个数的关系Fig.6 (a)CV curves and(b)the oxidation and reduction peak current densities as a function of the square root of various scan rates for NiSe2CE;(c)photo⁃voltaic parameters of DSCs based on NiSe2CE as a function of device quantity4404材料导报(B),2019,33(12):4040⁃4045Z N值成反比,故J lim值也与Z N值成反比[35]㊂由表2可知,理论上NiSe2对电极的J lim计算值也略大于铂电极㊂如上所述, Tafel极化曲线分析结果表明,NiSe2对电极的电催化性能优于铂电极,与EIS奈奎斯特曲线分析完全一致㊂2.3 对电极稳定性及DSCs重复性综上可知,采用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术设计构建的NiSe2对电极具有优异的电催化性能㊂本研究对不同扫描速率测试的对电极CV曲线进行分析,以考察NiSe2对电极的稳定性,结果如图6a所示㊂从图6a可以看出,左侧一对氧化还原峰的还原峰电流密度和氧化峰电流密度都随着扫描速率的增加而增大;同时,左侧一对氧化还原峰的峰⁃峰间距也随着扫描速率的增加而增大㊂图6b表明还原峰电流密度和氧化峰电流密度与扫描速率的平方根成线性关系,进一步证明I-/I3-氧化还原电对在对电极表面上并没有特殊的相互作用,预示着NiSe2对电极具有良好的稳定性[36]㊂以NiSe2对电极为基础组装10个DSCs,研究NiSe2对电极的重复性,如图6c所示㊂经计算在10个电池器件中,基于NiSe2对电极的DSCs的平均PCE高达7.39%,其中J sc平均值为15.29mA/ cm2,V oc平均值为0.691V,FF平均值为0.70㊂3 结论(1)采用电化学沉积技术和溶剂热技术制备了Ni⁃MOF 牺牲前驱体,再经硒化技术制备了NiSe2薄膜㊂NiSe2薄膜是由平均粒径约为500nm的类球状纳米颗粒构成,且Ni和Se 均匀分布在纯相NiSe2样品中㊂(2)NiSe2对电极展现出较大的还原峰电流密度㊁交换电流密度㊁极限扩散电流密度,较窄的还原峰与氧化峰之间的距离,较小的串联电阻㊁电荷传输电阻㊁能斯特扩散阻抗㊂这充分表明NiSe2对电极具有优异的电催化性能㊂基于NiSe2对电极的DSCs能量转换效率达到了7.63%,高于基于铂电极的DSCs转换效率(7.21%),尤其是填充因子由0.65增加到0.70,主要因为NiSe2对电极的总电阻比铂电极小㊂(3)NiSe2对电极呈现出良好的化学稳定性,基于NiSe2对电极的DSCs呈现出良好的重复性㊂因此,本实验设计的技术方案是可行的,可为高性能DSCs的设计与构建提供一种技术途径㊂参考文献1 Freitag M,Teuscher J,Saygili Y,et al.Nature Photonics,2017,11 (6),372.2 Roose B,Pathak S,Steiner U.Chemical Society Reviews,2015,44, 8326.3 Yun S,Hagfeldt A,Ma T L.Advanced Materials,2014,26,6210.4 Hou S,Cai X,Wu H,et al.Energy&Environmental Science,2013,6, 3356.5 Zhang T L,Chen H,Su C Y,et al.Journal of Materials Chemistry A, 2013,1,1724.6 Jeong I,Lee J,Joseph K L V,et al.Nano Energy,2014,9,392. 7 Chen L,Dai H,Zhou Y,et al.Chemical Communications,2014,50, 14321.8 Pan J,Wang L,Yu J C,et al.Chemical Communications,2014,50, 70209 Ke W,Fang G J,Tao H,et al.ACS Applied Materials&Interfaces, 2014,6,5525.10Lee L T L,He J,Wang B,et al.Scientific Reports,2014,4,4063. 11Feng C,Jin Z,Zhang M,et al.Electrochimica Acta,2018,281,237. 12Chen X,Tang Q W,He B,et al.Angewandte Chemie⁃International Edi⁃tion,2014,53,10799.13Tang Q W,Zhang H,Meng Y,et al.Angewandte Chemie,2015,127, 11610.14Lu M,Yuan X P,Guan X H,et al.Journal of Materials Chemistry A, 2017,5,3621.15Duan Y,Tang Q W,He B,et al.Nanoscale,2014,6,12601.16Ji I A,Choi H M,Bang J H.Materials Letters,2014,123,51.17Lee C T,Peng J D,Li C T,et al.Nano Energy,2014,10,201. 18Wang F M,Li Y C,Shifa T A,et al.Angewandte Chemie,2016,128, 7033.19Gong F,Xu X,Li Z Q,et al.Chemical Communications,2013,49, 1437.20Che H B,Liu X H,Gao Y F,et al.Journal of Alloys and Compounds, 2017,705,645.21Deng T,Lu Y,Zhang W,et al.Advanced Energy Materials,2018,8, 1702294.22Liu X,Liu Y,Fan L Z.Journal of Materials Chemistry A,2017,5, 15310.23Zou K Y,Liu Y C,Jiang Y F,et al.Inorganic Chemistry,2017,56, 6184.24Hsu S H,Li C T,Chien H T,et al.Scientific Reports,2014,4,6983. 25Jia J,Wu J,Dong J,et al.Solar Energy,2017,151,61.26Xu Y,Li B,Zheng S,et al.Journal of Materials Chemistry A,2018,6, 22070.27Jiang Q S,Chen R,Chen H,et al.Journal of Materials Science,2018, 53,7672.28Jiang Q S,Pan K,Lee C S,et al.Electrochimica Acta,2017,235, 672.29Jiang Q S,Chen R T,Li W B,et al.Journal of Inorganic Materials, 2018,33(8),832(in Chinese).蒋青松,陈若婷,李文波,等.无机材料学报,2018,33(8),832. 30Park S K,Kim J K,Kang Y C.Journal of Materials Chemistry A,2017, 5,18823.31Song D,Wang H,Wang X,et al.Electrochimica Acta,2017,254, 230.32Ming F,Liang H,Shi H,et al.Journal of Materials Chemistry A,2016, 4,15148.33Tang Q W,Zhang L,He B,et al.Chemical Communications,2016, 52,3528.34Liu T,Zhao Y,Duan J,et al.Solar Energy,2018,170,762.35Wang X W,Xie Y,Pan K,et al.ACS Applied Nano Materials,2018, 1,4900.36Bao C,Li F,Wang J,et al.ACS Applied Materials&Interfaces,2016, 8,32788.(责任编辑 荆秋叶)Qingsong Jiang received his Ph.D.degree in opticsfrom the Huazhong University of Science and Technolo⁃gy in2014.He was appointed to the faculty upon gra⁃duation,and is currently a lecturer of Huaiyin Instituteof Technology.He has published more than16SCIjournal papers as the first author,applied10nationalinvention patents and4of them are authorized.His re⁃search interests are the construction of dye⁃sensitizedsolar cells and perovskites solar cells based on photoniccrystals.His research projects are the Natural Science Foundation YouthFund of China,the Universities Natural Science Research Project of JiangsuProvince,and Jiangsu Overseas Visiting Scholar Program for University Pro⁃minent Young&Middle⁃aged Teachers and Presidents.蒋青松,淮阴工学院,讲师㊂2014年6月毕业于华中科技大学,获得光学专业理学博士学位㊂同年加入淮阴工学院工作至今㊂以第一作者在国内外学术期刊上发表SCI论文16篇,申请国家发明专利10项,其中授权4项㊂研究工作主要围绕光子晶体,开展关于染料敏化太阳能电池㊁钙钛矿太阳能电池的应用研究㊂主持包括国家自然科学基金青年项目㊁江苏省高校自然科学研究面上项目以及江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修项目等㊂5404利用电沉积⁃溶剂热⁃硒化技术提高基于二硒化镍对电极的染料敏化太阳能电池的填充因子/蒋青松等。
李永舫, 苯基侧链,有机太阳能电池受体 -回复
李永舫, 苯基侧链,有机太阳能电池受体-回复李永舫、苯基侧链和有机太阳能电池受体近年来,随着对可再生能源的需求日益增长,太阳能电池成为一种备受关注的能源技术。
传统的硅基太阳能电池虽然具有较高的效率,但制造成本较高且制作过程耗能。
相对而言,有机太阳能电池则具有制造成本低、制作过程绿色环保等优势。
而作为有机太阳能电池中的关键组成部分,有机受体材料的设计和性能优化对于提高效率至关重要。
李永舫教授是中国科学院化学所研究员,也是中国具有国际影响力的能源材料领域专家。
他在有机太阳能领域的研究中提出了一种创新的苯基侧链结构,被广泛应用于有机太阳能电池的受体材料中。
苯基侧链是指在有机分子结构中,将苯环基团通过共享碳原子与中心芳香芷构成共轭结构。
这种共轭结构可以提供更大的π共轭体积,增强分子的电子输运性能,从而提高有机太阳能电池的光电转换效率。
与传统的较长碳链相比,苯基侧链不仅具有较短的π共轭长度,还具有较高的空间共轭度,从而改善了分子在电子传输过程中的空间阻碍问题。
有机太阳能电池的受体材料是决定其性能的关键因素之一。
李永舫教授通过对苯基侧链的设计和合成,成功地开发出了一系列具有优良光电转换性能的受体材料。
他的研究团队通过调整苯基链的长度、增加侧链的氢键吸收基团等方法,有效地提高了受体材料的光电转换效率和稳定性。
除了苯基侧链的设计,李永舫教授还探索了其他改进有机太阳能电池性能的方法。
例如,在受体材料中引入大体积的侧链基团,可以增加受体材料与电子受体之间的空间间隔,从而提高光生载流子的扩散长度。
此外,引入不对称的侧基还可以在受体材料分子中引入极化,从而改善分子的吸光性能和光电转换效率。
通过对李永舫教授的研究和贡献的深入了解,我们可以看到他在有机太阳能电池受体材料的设计中的创新思路和成果。
他的苯基侧链设计不仅提高了有机太阳能电池的光电转换效率,还优化了材料的稳定性和可制备性。
他的研究不仅在学术界引起了广泛关注,而且在工业上也有着重要的应用潜力。
基于石墨烯薄膜材料的肖特基结光伏器件研究进展
基于石墨烯薄膜材料的肖特基结光伏器件研究进展贾树明;魏大鹏;焦天鹏;汪岳峰【摘要】Schottky Junction solar cell has attracted more and more attention ,because of its simple structure , easinessof preparation and low cost .Graphene ,with the property of excellent physicalperformance ,abundant natural resources and low preparation cost ,has become a candidate to replace the traditional IT O for the Schott‐ky Junction solar cell .In this paper ,we reviewed the progress of Schottky Junction solar cells based on gra‐phene ,and discuss the problems in the practical applications .It provides a powerful tool to research potential applications of graphene in Schottky Junction solar cells in future .%肖特基结太阳能电池因其结构简单、制备方便、成本低廉而受到广泛关注。
石墨烯材料具有优异的物理性能以及原料来源丰富、制备成本低,可替代传统的IT O 用于制备基于石墨烯的肖特基结太阳能电池。
综述了现阶段基于石墨烯肖特基结太阳能电池的研究进展,探讨和分析了不同类型石墨烯肖特基结太阳能电池的性能以及在应用中存在的问题,为后续开展石墨烯肖特基结太阳能电池的研究与应用提供借鉴。
CuInS2薄膜太阳能电池
36卷(2007年)11期
万方数据
http!,,ww.wall.ac.cn
849·
太阳能热电池及其应用专题
2.5掺杂对CuInS:薄膜性能的影响 元素掺杂可以在一定程度上改变CulnS:材料
的能带宽度.如Rabeh‘2”等采用Sn元素掺杂制备 了11型半导体CulnS:薄膜,薄膜材料的能带宽度在 1.45一1.49 eV之间.Zribi。“等报道了sn掺杂的 CulnS:薄膜的能带宽度可以在1.42—1.50 eV之间 调节.据Chavhan91报道,适当地进行se掺杂,可以 在1.07一1.44eV之间调整CuInS:材料能带宽度的 变化.1998年,Ohashiml等人采用Se元素掺杂制备 Culn(s。Se。):电池的转换效率达到8.1%.Peza— Tapia”1等报道,在P型贫铜CulnS:薄膜中掺杂 Na,可以将材料的能带宽度从1.4 eV提高到1.45 eV;J0hn等…的实验也表明,Na的少量掺杂可以提 高贫铜CulnS:薄膜的结晶性和光电特性.尽管有许 多元素掺杂对CulnS:薄膜性能影响方面的研究报 道,但由于CulnS,的能带宽度已经接近最佳太阳能 电池材料所需的禁带宽度,因此通过元素掺杂来提 高CulnS:电池光电性能的空间不大.另外,引入掺 杂元素将增加相应的工艺环节,从而增加薄膜中的 缺陷形成几率.目前还没有看到由于元素掺杂而显
太阳能热电池及其应用专题
CuInS:薄膜太阳能电池4
周少雄’ 方玲
制铁研究总院 北京1000811
摘要 近年来,CulnS2作为太阳能电池光吸收材料,由于其优异的综合特征已经引起人们的广泛关注.文章介绍 了cuIn是太阳能电池的发展历史和研究现状,综进了有关CulnS:材料结构与特性,制备方法和反应动力学,元素掺 杂和后处理工艺对电池性能的影响以及窗I=I材料等方面的研究成果,评述r CulnS:太阳能电池的产业化进展及基于 电沉积一硫化方法制各CulnS:薄膜太阳能电池的低成本产业化技术,展望了CulnS:太m能电池的发展前景. 差键词 太阳能电池,光伏,CulnS:薄膜
CuInS2量子点的制备及其敏化太阳能电池研究进展
中图分类号 : TQ1 5 ; O6 1 1
文献标识码 : A
Ad v a n c e s i n F a b r i c a t i o n o f C u l n S 2 Qu a n t u m Do t s a n d C u I n S 2 S e n s i t i z e d S o l a r C e l l s
W A NG Yu a n q i a n g ~ ,L I Ya o g a n g ,W A NG Ho n g z h i ,
Z HANG Qi n g h o n g 。 , B AO Yi mi n g , J I Yu
( 1 Co l l e g e o f Ch e mi s t r y a n d Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g,S h a n g h a i Un i v e r s i t y o f En g i n e e r i n g S c i e n c e ,S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ; 2 C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g,Do n g h u a Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ) Ab s t r a c t Th e p r e p a r a t i o n me t h o d s o f Cu l n S a q u a n t u m d o t s a n d r e c e n t r e s e a r c h p r o c e s s o f Cu l n S e s e n s i
CuInSe2薄膜太阳电池材料微观结构与其光电性能的关系
CuInSe2薄膜太阳电池材料微观结构与其光电性能的关系自1954年美国贝尔实验室研制成功第一个实用硅太阳能电池以来,无机和有机化合物类光伏材料相继问世。
近年来,伴随着各种技术的蓬勃发展,导致薄膜太阳能电池的制造技术也不断发展并不断趋于成熟和稳定。
在薄膜太阳能电池中,材料种类很多。
现在用于太阳能电池作为吸收光能并转换成电能的吸收层半导体材料以非晶硅(a-Si)、锑化镉(CdTe)、铜铟硒(CulnSe2)以及衍化物铜铟稼硒(CIGS)为主。
早期研究最多的是非晶硅(a-si)与锑化镉(CdTe)相关的太阳能电池的研制和开发,但是在费用和器件的转换效率方面还存在着一定的不足,费用太高且效率太低。
随着时代和科技的进步研究者发现并开发出一种新的太阳能电池,那就是以CulnSe2(CIS)以及其衍生物Cu(In,Ga)Se2(CIGS)为主的太阳能电池,以其高稳定性、高效率和低费用而受到各国研究者的青睐。
主要因为CulnSe2是直接带隙半导体材料,且其能隙值能包括大部分的太阳光谱,具有相当高的光吸收系数,同时可调整其本身的化学组分而得到热稳定好,在长时间的工作状态下依然能维持良好的光电转换性能等特性。
综上所述,铜铟硒及其衍化物是一种很有前景的太阳能吸收材料,同时与此半导体材料相关的太阳能电池元件也相应成为很有吸引力的一种光电转换装置。
本文主要探讨CuInSe2薄膜太阳电池材料微观结构与其光电性能间的关系。
1974年,Wagner利用单晶CulnSe2研制出高效太阳能电池,其效率可以达到6%,标志着CIS光伏材料的崛起。
但是单晶CulnSe2制备困难,价格昂贵,限制了其发展。
1976年,第一个CIS多晶薄膜太阳能电池的诞生,真正激励了各国研究者。
1982年,波音公司制备的CdS/CulnSe2薄膜太阳能电池,其效率超过10%。
研究中,人们通过合金化Cu(Ga,In)Se2和Culn(S,Se)2成功将材料的禁带宽度增大,使其能更接近光伏转换最佳值约为1.4eV,在提高转换效率的同时获得了更高的开路电压。
钙钛矿太阳能电池全英文介绍
Small
Volume 11, Issue 1, pages 10-25, 30 OCT 2014 DOI: 10.1002/smll.201402767
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/doi/10.1002/smll.201402767/full#smll201402767-fig-0005
2. Facile low temperature solution-based fabrication method; 3. High absorption coefficient. 4. Higher stability in air. 5. High diffusion length, high charge-carrier mobilities.
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Volume 11, Issue 1, pages 10-25, 30 OCT 2014 DOI: 10.1002/smll.201402767
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/doi/10.1002/smll.201402767/full#smll201402767-fig-0004
• Changing in any of A, M and X in AMX3 changes the bandgap • The bandgap also can be tuned in between 1.55 eV and 1.17 eV
by varying the ratio of lead to tin
• Mesoporous TiO2 layer usually is used to collect the electrons • Organic Hole transporting material (HTM) collects the holes • Planar structure has simpler structure and higher efficiency
美劳伦斯伯克利国家实验室从生物质中催化更多的糖类
研 究人员 使用合 成生 物学方 法 , 合成 了木质 生物质 可 以更 容易分 解为 简单 糖类 的健 康植 物。 研究 工作 以模 式植物拟南芥 为演示工 具 , 通 过对细胞 壁的改造 降低木 质素的产量 , 同时提 高糖类 的产量 。 研究 工作主要 集 中在 如何 使植物 细胞 壁的糖 分更容 易被提 取 。 与 玉米和其
他 谷物 中简单 的淀粉 基糖 类不 同 , 细 胞壁 中的糖被 锁在一 个结 构稳定 的芳香 族 聚合物—— 木质 素 中 , 提取 木质 素 中的糖分 需要高 温条件 及价格 昂贵 的对环 境
型合成橡胶、 采用特殊工艺制成 的微乳 液及多种化学助剂。 在生产和施工过程
中, 均不使 用有机溶剂 , 无毒无 味, 无废
质素 含量的 同时不影响植物 的生长发育 。 当研究人 员将 构建 的AP E L 应用到拟 南
芥 中时 , 工 程拟南芥 与对 照株相 比, 水解过程 中糖的释放量增 加 。 用AP E L 策 略提
高纤维 中多 糖含量 的方法可 以迅速应用到 其他维管植 物 中, 用于纸浆 工业 、 饲 料 生产和 生物能源 生产 中, 也可 以用 来增加谷 物秸秆 的强度 , 减少作物倒伏 等 。 ( 中
茂名石化 L D P E高透明薄膜 新品试产
据 报道 , 中国石油 化 工股 份有 限 公司 茂名分公司 ( 以下简称茂名石 化 )
开 发的低密度 聚 乙烯 ( LDPE) 高透 明
辽宁研发成功环保型防水新材料
据 报道 , 从辽宁建 筑防水材料 工业协会 传 出佳音 , 辽 宁台安 国建 精材科技 发 展 有 限公司 ( 以下简称 “ 国建 精材公 司” ) 研发 的防水新材料— — 机 械喷涂液 体
全固态介观太阳能电池_从染料敏化到钙钛矿_荣耀光
综述* E-mail: hongwei.han@Received October 13, 2014; published January 29, 2015.化 学 学 报ACTA CHIMICA SINICA全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿荣耀光 梅安意 刘林峰 李雄 韩宏伟*(格兰泽尔介观太阳能电池研究中心 武汉光电国家实验室(筹) 华中科技大学 湖北 武汉 430074)摘要 介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel 课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD 应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park 与Grätzel 课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH 3NH 3)PbI 3作为敏化剂, spiro-OMeTAD 作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破. 关键词 介观太阳能电池; 全固态; 染料敏化; 钙钛矿; 对电极All-solid-state Mesoscopic Solar Cells: From Dye-sensitized toPerovskiteRong, Yaoguang Mei, Anyi Liu, Linfeng Li, Xiong Han, Hongwei *(Michael Grätzel Center for Mesoscopic Solar Cells , Wuhan National Laboratory for Optoelectronics , Huazhong Universityof Science and Technology , Hubei , Wuhan 430074) Abstract As one of candidates of the next generation solar cells, mesoscopic solar cells offer a wide application prospect due to the advantages of abundant raw materials, simple fabrication process, high power conversion efficiency and so on. This review presents a brief overview on the progress of solid-state mesoscopic solar cells in new materials, new technologies and new concepts from dye-sensitized solar cells to perovskite solar cells. In 1998, Grätzel group firstly incorporated sol-id-state organic hole transport materials spiro-OMeTAD into dye-sensitized solar cell, and fabricated an all-solid-state dye-sensitized solar cell. Though this device only obtained an efficiency of 0.74%, all-solid-state dye-sensitized solar cells became an important direction in the field of mesoscopic solar cells. In 2012, Park group and Grätzel group employed a per-ovskite absorber (CH 3NH 3)PbI 3 as the sensitizer, and spiro-OMeTAD as the hole collecting layer, developing an all-solid-state mesoscopic solar cell, which was also named perovskite solar cell, with the efficiency of up to 9.7%. Since then, mesoscopic perovskite solar cells based on perovskite materials quickly become a hot topic in the field of solar cell. Presently, the highest certificated power conversion efficiency of perovskite solar cells has reached to 20.1%. As a milestone in the development history of mesoscopic solar cells, perovskite solar cells still have many challenges in material developing, interface engineering, and device stability, and are expecting new breakthroughs in the future. Keywords mesoscopic solar cells; all-solid-state; dye-sensitized; perovskite; counter electrode1 引言太阳能的充分利用是解决目前人类面临的能源短缺和环境污染等问题的根本途径. 实现廉价的太阳能发电, 是人类梦寐以求的追求. 作为一种可再生的清洁能源, 专家预测光伏发电将在21世纪前半叶超过核电成为最重要的基础能源之一. 在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下, 过去十多年以硅基为代表的太阳能电池技术获得了长足发展, 其组件每峰瓦的售价已从2005年的¥40元左右下降至目前的¥5~6元[1], 但目前太阳能发电的成本仍高于传统能源的发电成本.近年来, 一些基于介观尺度的无机或有机半导体材料及三维互穿网络结构的新型介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cell)[2~4], 如染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell)备受关注[5~7]. 由于其原材料DOI: 10.6023/A14100702化 学 学 报来源丰富, 生产工艺简单, 不需要高能耗如高温高真空制备过程, 因此, 这类器件适应了光伏行业对廉价太阳能电池技术的需求, 拥有广阔的应用前景[8,9]. 基于介观结构的染料敏化太阳能电池自1991年被Grätzel 教授首次报道以来(图1a), 受到世界各国研究人员的广泛关注及深入研究. 截至目前为止, 获得公证的染料敏化太阳能电池最高光电转换效率已达11.9%[10], 显示出良好的市场竞争优势及商业化应用前景[11~21]. 然而, 获得该效率的染料敏化太阳能电池所采用的电解质材料为液态, 由于该材料含有易挥发的有机溶剂, 不仅对电池工作的长期稳定性有非常不利的影响, 而且对器件的封装及大规模组装和生产造成了显著的阻碍. 为此, 电解质材料固态化, 以固态电解质材料取代液态电解质材料成为了染料敏化太阳能电池研究的重要方向.1998年, Grätzel 课题组采用固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD, 首次在Nature 上报道了全固态染料敏化太阳能电池(图1b)[22]. 随后, 通过多重优化处理, 全固态染料敏化太阳能电池的效率有所提升, 但一直在7%左右徘徊[22~28]. 直到2012年, 全固态介观太阳能电池获得突破性进展, Park 与Grätzel 课题组合作, 采用钙钛矿吸光材料(CH 3NH 3)PbI 3作为敏化剂, spiro-OMeTAD 作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的钙钛矿太阳能电池(图1c)[22~29]. 2012年10月, Snaith 课题组以Al 2O 3为支撑, 获得了一种具有介观超结构的太阳能电池, 其光电转换效率达到10.9%(图1d)[30]. 2013年5月, Grätzel 课题组开发了一种连续沉积法, 基于(CH 3NH 3)PbI 3, spiro-OMeTAD 空穴收集层及金对电极, 将全固态介观太阳能电池(基于钙钛矿材料的全固态介观太阳能电池亦被称为介观钙钛矿太阳能电池)的公证光电转换效率提升至14.1%(图1e)[31]. 紧接着, 2013年11月, Seok 课题组将介观钙钛矿太阳能电池公证效率提升至16.2%[32], 2014年11月, 该课题组进一步将最高记录改写成20.1%[33,34]. 遗憾的是, 获得该效率的钙钛矿太阳能电池所采用的有机空穴传输材料如spiro-OMeTAD 价格昂贵, 成本超过金或铂的10倍, 严重地阻碍了其商业化发展. 早在2012年, Etgar 等报道了一种无空穴传输材料(hole-conductor-free)型介观钙钛矿太阳能电池, 并获得了5.5%的效率(图1f)[35]. 经过进一步优化, Etgar 及Meng 等分别报道了效率超过10%的无空穴传输材料型介观钙钛矿太阳能电池, 最高效率为10.85%[36~38]. 然而, 其对电极依然采用贵重金属材料金.显然,金不仅价格昂贵, 且需要在高真空高能耗环境下采用蒸镀或溅射方法制备, 将不可避免的破坏器件结构的完整性, 从而导致器件短路, 器件重复性差等问题. 为此, 如何开发出基于廉价对电极及无空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池是该类器件获得大规模应用的重要课题.图1 介观太阳能电池从染料敏化到钙钛矿代表性研究成果发展历程 Figure 1 The development history of mesoscopic solar cells from dye-sensitized to perovskite化 学 学 报2013年, Han 课题组将钙钛矿材料(CH 3NH 3)PbI 3引入单基板全固态染料敏化太阳能电池中, 开发出一种基于廉价碳对电极的可印刷无空穴传输材料介观钙钛矿太阳能电池, 并获得了6.67%的光电转换效率(图1g)[39]. 2014年, Han 课题组又以两性分子改性的混合阳离子型钙钛矿材料(5-A V A)x (MA)(1-x )PbI 3(碘铅甲胺-5-氨基戊酸), 应用于基于碳对电极的可印刷介观钙钛矿太阳能电池中(图1h), 获得了12.84%的公证效率[40], 结果显示这种器件在一个太阳光下经过1008 h 的照射保持良好的稳定性.2 全固态染料敏化太阳能电池全固态染料敏化太阳能电池这一概念是针对传统结构的染料敏化太阳能电池而提出的. 由于传统染料敏化太阳能电池的组装会使用含有液态有机溶剂的电解质[41], 导致器件的制备过程中需要对封装工艺进行精细的调控和严密的检查, 这极大地限制了该种结构器件大规模生产及产业化发展[7]. 除此之外, 液态电解质所导致的染料脱吸附、电极腐蚀、电解质泄露等问题, 也一直未能获得很好的解决. 使用固态电解质替代传统的液态电解质, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 是解决这些问题的有效途径. 总体来说, 可用于染料敏化太阳能电池的固态电解质可分为三类: (1)有机空穴传输材料; (2)无机P 型半导体材料及(3)聚合物电解质[22~28,42~45]. 本文将主要介绍使用有机空穴传输材料明星分子spiro-OMeTAD 所组装的全固态染料敏化太阳能电池发展历程.全固态染料敏化太阳能电池通常采用一块导电基板, 如图2所示. 其特点是在单一导电基板上依次沉积致密TiO 2层和介孔纳米晶TiO 2层作为光阳极, 吸附染料分子之后填充固态电解质, 最后在固态电解质上以热蒸镀的方式沉积一层贵金属对电极, 形成光阳极和对电极集成在单一导电基板上的结构[22~28,46,47]. 全固态染料敏化太阳能电池的基本工作原理及过程如图3所示, 主要的过程有:(1) 染料受光照, 电子从染料分子的最高占据轨道(HOMO)跃迁至最低未占轨道(LUMO), 染料由基态转变为激发态.(2) 激发态染料分子LUMO 中的电子注入到纳米晶TiO 2导带中, 染料分子失去电子后成为氧化态的染料分子.(3) 空穴传输材料价带中的电子注入到氧化态的染料中, 氧化态染料分子被还原, 同时空穴传输材料价带内空穴数量相应增加.(4) 纳米晶TiO 2导带中的电子传输至导电基板并被收集, 经外电路传输至对电极.(5) 空穴传输材料价带中的空穴向对电极方向迁移.(6) 空穴传输材料价带中的空穴与对电极上的电子发生复合.图 2 全固态染料敏化太阳能电池结构示意图, 由下至上依次为: FTO 导电玻璃、TiO 2致密层、TiO 2纳米晶层(表面吸附染料分子)、固态电解质、对电极层[48]Figure 2 The typical structure of all-solid-state dye-sensitized solar cells, from bottom to top: FTO conducting glass substrate, TiO 2 compact layer, TiO 2 nanocrystalline layer (dye-sensitized), solid-state electrolyte, Counter electrode [48]图3 基于空穴传输材料全固态染料敏化太阳能电池的工作原理示意图Figure 3 Schematic diagram of working principle of all-solid-state dye-sensitized solar cells based on hole-transport-materials有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD 是全固态染料敏化太阳能电池中最常用的固态电解质, 其分子结构如图4所示[22]. 它是以螺旋结构为中心的有机小分子, 其非平面分子结构增加了其分子几何构型, 而以交叉结构链接使其具有较大的分子体积及分子量, 玻璃化转变温度约为121 ℃, 具有较高的非结晶态热稳定性; 同时, 该分子在有机溶剂如氯苯中有很高的溶解度, 有利于其配制成溶液进行固态介质的填充. 除此之外, 作为染料敏化太阳能电池的电解质材料, spiro-OMeTAD 的紫外可见吸收峰与常用染料的吸收峰并不存在重叠, 因此不会存在类似碘电解质体系在可见光范围有较强吸收导致器件对入射光利用率下降的问题.早在1998年, Grätzel 课题组在染料敏化太阳能电池中首次使用Spiro-OMeTAD 作为空穴传输材料制备出全固态染料敏化太阳能电池, 并获得了0.74%的光电转换效率, 从而开启了全固态染料敏化太阳能电池广泛研究的先河. 之后, 研究人员围绕基于spiro-OMeTAD 所组装的全固态染料敏化太阳能电池开展了一系列的化学学报图4 空穴传输材料spiro-OMeTAD的化学结构示意图Figure 4 The chemical structure of hole transport material spiro- OMeTAD优化工作, 使得器件的光电转换效率得到明显的提升. 2001年,K rüg e r等将三氟甲基磺酰亚胺锂盐(Li[CF3SO2]2N)和4-叔丁基吡啶(4-tert-butylpyridine, TBP)加入到spiro-OMeTAD中, 使得TiO2/spiro- OMeTAD界面处电子与空穴的复合减小, 从而大幅度地提升了器件的开路电压和短路电流, 光电转换效率达到2.56%[23]. 2002年, Krüger等利用银离子与染料共敏化, 使得纳米TiO2颗粒表面所吸附的染料分子排列更加紧密, 从而增强了光阳极对入射光的吸收. 同时, TiO2导带中电子与spiro-OMeTAD中空穴的复合也大大减小, 器件的光电转换效率被提升至3.2%[24]. 2005年, Schmidt-Mende等开发了一种新的染料分子(结构如图5b所示), 命名为Z907, 替代之前所使用的N719(结构如图5a所示)染料. 与N719相比, Z907在纳米TiO2颗粒表面上的排列更加紧密, 因此相同尺寸的TiO2膜厚吸附的Z907分子比N719分子更多, 从而增强了器件对入射光的吸收, 使得器件的短路电流得到提升, 光电转换效率达到4.03%[25]. 与此同时, Schmidt-Mende等首次在全固态染料敏化太阳能电池中使用纯有机染料D102(结构如图5c所示)组装器件, 获得了4.1%的光电转换效率[26]. 相较于传统的N719, Z907等钌系染料, 有机染料的合成更加简单, 原材料更加丰富, 且具有更高的摩尔消光系数, 因此更加适合全固态染料敏化太阳能电池. 2007年, Snaith等采用K68染料(结构如图5d所示)和银对电极将全固态染料敏化太阳能电池的光电转换效率进一步提高至5.1%[27]. 研究表明, K68染料分子上较长的烷烃链可以有效减少电子复合, 从而提高器件的开路电压和填充因子. 金对电极具有较大的功函数, 是图5 全固态染料敏化太阳能电池所使用的染料结构示意图: (a) N719; (b) Z907; (c) D102; (d) K68; (e) C220; (f) Y123Figure 5The chemical structure of dyes used in all-solid-state dye-sensitized solar cells: (a) N719; (b) Z907; (c) D102; (d) K68; (e) C220; (f) Y123化 学 学 报全固态染料敏化太阳能电池中最常用的对电极材料, 然而在可见光区域, 金对电极的反射率较低(56%), 采用具有高反射率的银对电极(96%), 可以有效增强器件对入射光的利用率, 从而提高器件的短路电流. 在之后的几年里, 基于spiro-OMeTAD 的全固态染料敏化太阳能电池光电转换效率一直在5%左右徘徊[28]. 直到2011年, Wang 等开发了一种新的染料分子C220(结构如图5e 所示), 将全固态染料敏化太阳能电池的光电转换效率进一步提高至6.08%[46]. C220也是一种有机染料, 与Z907染料相比具有更高的摩尔消光系数, 并且制备的器件其电子收集效率也更高. 同年, Grätzel 等开发出染料Y123(结构如图5f 所示), 并和添加剂FK102一起应用到全固态染料敏化太阳能电池中, 将器件效率提升至7.2%[47]. 该效率也是目前为止基于有机空穴传输材料的全固态染料敏化太阳能电池的最高效率. Y123和C220的吸收光谱差别并不大, 前者甚至比后者吸收能力要弱, 区别在于Y123分子上的给电子基团比C220的给电子基团更大, 这有利于增加染料与spiro-OMeTAD 的作用范围, 减少电子与空穴的复合, 从而提高器件的电子收集效率.与此同时, Han 等开发了一种基于可印刷碳对电极和固态聚合物电解质的单基板全固态染料敏化太阳能电池[48], 获得了3.65%的光电转换效率, 其结构如图6所示. 之后, 又分别将固态空穴传输材料P3HT [49]和spiro-OMeTAD [50]作为电解质材料引入到单基板染料敏化太阳能电池中, 制备出光电转换效率达到 3.1%和4.03%的单基板全固态染料敏化太阳能电池. 该种器件采用廉价的碳对电极替代传统的贵金属对电极, 原材料成本低廉. 同时, 碳对电极采用丝网印刷技术制备, 制备工艺简单、能耗低, 且更适合大规模生产. 2012年, Han 课题组首次报道了基于碳对电极的大尺寸(10 cm ×10 cm)单基板全固态染料敏化太阳能电池(如图7所示), 该结果显示了单基板全固态染料敏化太阳能电池在结构和制备工艺方面的优势.整体而言, 针对基于spiro-OMeTAD 的全固态染料敏化太阳能电池的优化工作,主要集中在染料的设计和电子传输过程的调控. 与此对应, 全固态染料敏化太阳图 6 基于碳对电极的单基板全固态染料敏化太阳能电池结构示意 图[48]Figure 6 The structure of monolithic all-solid-state dye-sensitized solar cell based on carbon counter electrode [48]图7 由80块大尺寸单基板全固态染料敏化太阳能电池所组装而成的太阳能电池板Figure 7 Solar panels consist of 80 large-area monolithic all-solid-state dye-sensitized solar cells能电池光电转换效率也一步步提升, 其增长趋势如图8所示. 从1998年到2012年, 基于spiro-OMeTAD 的全固态染料敏化太阳能电池光电转换效率由0.74%稳步增长至7.2%, 但是与传统液态染料敏化太阳能电池的效率(公证纪录11.9%)仍然有较大差距. 其主要原因在于全固态染料敏化太阳能电池所使用的染料和空穴传输材料难以匹配, 导致器件内部存在严重的复合反应以及所使用的空穴传输材料较低的电荷迁移率. 除此之外, 较低的短路电流密度(<10 mA•cm -2)也是限制全固态染料敏化太阳能电池光电转换效率提升的重要因素. 全固态染料敏化太阳能电池的光阳极通常较薄(<2 μm), 导致器件对于入射光的利用率较低, 而增加光阳极的厚度, 会直接影响固态电解质的填充效果, 导致电荷传输过程中的复合反应加剧, 电子收集效率降低. 因此, 提升全固态染料敏化太阳能电池光电转换效率依赖于开发吸收光谱更宽、摩尔吸收系数更大的染料分子, 使得在光阳极厚度较小的情况下, 器件仍然获得较高的光捕获效率, 以及找到更有效的固态电解质填充方法和高迁移率的电荷传输材料, 在光阳极厚度较大时也能实现有效的电荷传输[22~28,46,47,51,52].3 全固态钙钛矿太阳能电池钙钛矿(CaTiO 3)最早是在1839年被Rose 发现之后以俄国矿物学家Perovski 的名字命名的. 而采用无机有机混合的钙钛矿材料具有直接的带隙, 很宽的光谱响应范围, 较长的电子-空穴扩散长度, 对于介观太阳能电池来说是非常理想的吸光材料及电荷传输材料[53~55]. 目前使用最多的典型钙钛矿材料是CH 3NH 3PbI 3, 其化学结构如图9所示. 这种有机无机杂化的钙钛矿材料是以一个AMX 3立方体为基本框架, 其中A 为有机基团(图中蓝色甲胺离子), M 为金属阳离子(图中黄色铅离子), X 一般为卤素阴离子(图中红色碘离子). 金属阳离化 学 学 报图8 全固态介观太阳能电池光电转换效率发展历程, 其中标有红圈的数据为公证效率Figure 8 The development history of the power conversion efficiency (PCE) of all-solid-state mesoscopic solar cells, the red-circled data is certificated PCE子M 和卤素阴离子X 在空间形成以M 为中心X 为角的MX6正八面体结构, 这些正八面体在三维空间里通过X 延伸,而有机基团A 就处于这些八面体之间的空隙当中. 由此可见A 基团的尺寸大小对于形成这种包覆结构有重大影响. 然而, 最近也有报道通过改变有机基团A 的链长来使得钙钛矿的价带位置和禁带宽度发生变化. 这种钙钛矿材料的光学和电学性能通常由改变金属阳离子和卤素阴离子来调节[55~58].图9 典型钙钛矿材料碘铅甲胺(CH 3NH 3PbI 3)的分子结构示意图Figure 9 The molecular structure of typical perovskite material CH 3NH 3PbI 3事实上, 钙钛矿材料CH 3NH 3PbI 3和CH 3NH 3PbBr 3早在2009年就被Miyasaka 等在液态染料敏化太阳能电池中作为敏化剂, 当时所制备的器件获得了 3.8%的光电转换效率[59]. 随后, Park 等系统地对CH 3NH 3PbI 3作为敏化剂的量子点敏化太阳能电池(以量子点替代染料分子对光阳极进行敏化所制备的太阳能电池器件)进行了优化, 同时对TiO 2光阳极进行了表面处理, 所制备的量子点敏化太阳能电池获得了 6.54%的光电转换效率[60].在液态染料敏化太阳能电池中, CH 3NH 3PbI 3是通过在TiO 2表面旋涂CH 3NH 3I 和PbI 2的混合溶液制备而成. 一般来说, 钙钛矿材料具有比其他光敏化剂更高的吸光性能和热稳定性. 但是, CH 3NH 3PbI 3在液态的有机溶剂中容易溶解, 使得基于CH 3NH 3PbI 3的液态染料敏化太阳能电池其光电转换效率会发生严重的衰减.2012年, Park 课题组与Grätzel 课题组首次采用钙钛矿吸光材料(CH 3NH 3)PbI 3作为敏化剂, 同时使用 spi-ro-OMeTAD 作为空穴收集层制备出一种新型的全固态介观太阳能电池[29], 该种器件的结构如图10(a)和10(b)所示. 图10(c)给出了该器件截面的SEM 图片, 介孔TiO 2层的厚度约为600 nm, 这一厚度远远小于之前全固态染料敏化太阳能电池中介孔TiO 2层的厚度, 然而所制备器件的短路电流却高达17 mA/cm 2, 远高于传统全固态染料敏化太阳能电池的短路电流[42], 可见该钙钛矿吸光材料(CH 3NH 3)PbI 3相比于传统染料, 具有更强的吸光能力. 同时, 可以有效地将电子和空穴注入到TiO 2纳米晶层和spiro-OMeTAD 空穴收集层中. 器件整体光电转换效率达到9.7%, 这一效率比之前同样以(CH 3NH 3)PbI 3作为敏化剂的液态染料敏化太阳能电池(6.5%)要高出近50%. 除此之外, 固态spiro-OMeTAD 的引入, 有效解决了(CH 3NH 3)PbI 3在有机溶剂中会发生溶解的问题, 提升了器件的稳定性.之后, Snaith 课题组采用介孔Al 2O 3作为支撑层, 钙钛矿吸光材料CH 3NH 3PbI 2Cl 作为光敏化剂、spiro-OMeTAD 作为空穴收集层所组装的介观太阳能电池获得了超过10%的光电转换效率[30], 其结构如图11(a)所示. 研究表明, 该种器件的工作原理与传统的染料敏化太阳能电池略有不同, Al 2O 3在器件中仅作为支化 学 学 报撑层, 不再具有传统染料敏化太阳能电池中TiO 2作为光阳极(n 型半导体)传输电子的功能, 钙钛矿吸光材料CH 3NH 3PbI 2Cl 受光照激发后不会将电子注入到Al 2O 3导带内, 而是直接由CH 3NH 3PbI 2Cl 自身传输至导电玻璃的FTO 层[如图11(b)所示], 因此器件具有更高的电荷收集效率, 可以获得高达1.1 V 的开路电压. Hagfeldt 课题组对比了使用TiO 2和ZrO 2作为介孔层所制备的钙钛矿太阳能电池, 也得到了类似的结果, ZrO 2的禁带宽度更大, 导带位置要高于钙钛矿吸光材料的导带, 钙钛矿材料中的激发电子无法注入到ZrO 2导带中, 而是存在于钙钛矿材料的导带中. 由于钙钛矿材料的导带要略高于TiO 2导带, 因此相对于使用TiO 2作为介孔层的钙钛矿太阳能电池, 使用ZrO 2作为介孔层可以获得更高的开路电压[61].钙钛矿吸光材料的引入使得介观太阳能电池的研究获得了突破性进展,其工作原理也发生了诸多改变, 也因此受到广泛关注,并迅速发展[62]. 在钙钛矿材料方面, Snaith 等采用CH 3NH 3PbI 3-x Cl x 制备钙钛矿太阳能电图10 基于(CH 3NH 3)PbI 3和spiro-OMeTAD 的全固态介观太阳能电池和介孔结构: (a)全固态介观太阳能电池的图片; (b)器件截面结构; (c)器件截面的SEM 图; (d)活性层/致密层/FTO 层界面结构SEM 图[29]Figure 10 All-solid-state mesoscopic solar cell based on perovskite (CH 3NH 3)PbI 3 and spiro-OMeTAD, and its cross-sectional meso-structure. (a) Digi-tal image of all-solid-state device. (b) Cross-sectional structure of the device. (c) Cross-sectional SEM image of the device. (d) Active lay-er-underlayer-FTO interfacial junction structure [29]图11 (a)左: 使用Al 2O 3作为支撑层的介观太阳能电池结构示意图; 右: 使用Al 2O 3作为支撑层的介观太阳能电池截面SEM 图; (b)基于钙钛矿敏化TiO 2和Al 2O 3介观太阳能电池电荷转移及传输过程原理图[30]Figure 11 (a) Left: Schematic representation of device structure, where the mesoporous oxide is Al 2O 3. Right: Cross-sectional SEM image of device incorporating mesoporous Al 2O 3. (b) Schematic illustrating the charge transfer and charge transport in perovskite-sensitized TiO 2 solar cell and anon-injecting Al 2O 3-based solar cell [30]化学学报池, 获得了12.3%的效率, 其中Al2O3支撑层的厚度仅为400 nm, 且制备过程在低温条件下完成(<500 ℃)[63]. 紧接着, Seok等以CH3NH3Pb(I1-x Br x)3钙钛矿分子和介孔TiO2层所组装的钙钛矿太阳能电池其光电装换效率也达到了12.3%[64], 研究表明, 钙钛矿材料CH3NH3Pb(I1-x Br x)3中Br的含量会直接影响其带隙宽度, 进而影响其吸收光谱, 有关结果如图12所示. 与此同时, Snaith等对AMX3钙钛矿结构中的有机基团A进行改进, 使用甲脒基(NH2CH=NH2, FA)替代传统钙钛矿吸光材料CH3NH3PbI3中的甲胺基, 研究表明, 甲脒基比甲胺基稍大, 可以减小钙钛矿吸光材料的禁带宽度至1.48 eV, 从而使其具有更宽的吸收光谱. 同时通过引入不同量的Br, 可以实现对钙钛矿敏化剂禁带宽度的调节(1.48~2.23 eV), 如图13所示, 所组装的平板异质节钙钛矿太阳能电池, 其光电转换效率达到14.2%[65]. 与此同时, Cui课题组也报道了NH2CH=NH2PbI3作为吸光材料在介观钙钛矿太阳能电池中的应用, 器件光电转换效率达到7.5%[66]. 随后, Grätzel课题组进一步将基于NH2CH=NH2PbI3的介观钙钛矿太阳能电池的光电转换效率分别提升至14.9% [67]. 然而, 作为一种有望实现商业化应用的太阳能发电技术, 钙钛矿太阳能电池所使用的吸光材料CH3NH3PbI3含有重金属元素Pb, 这极大地限制了该技术的进一步推广. Kanatzidis等采用Sn替代CH3NH3PbI3中的Pb, 制备出禁带宽度为1.3 eV的钙钛矿吸光材料CH3NH3SnI3, 尽管目前所组装器件的光电转换效率仅为5.73%, 但是却为对环境友好的钙钛矿吸光材料的开发提供了新的途径[68].在空穴传输材料方面, Hodes等通过匹配钙钛矿吸光材料和空穴传输材料的能级, 采用CH3NH3PbBr3作为吸光材料, N,N'-dialkyl perylenediimide (PDI)作为空穴收集层, 所制备的器件可以获得高达~1.3 V的开路电压, 其中CH3NH3PbBr3及各种空穴传输材料的结构和能级如图14所示[69]. 此外, Johansson等分析了spiro-OMeTAD、P3HT、4-(diethylamino)benzaldehyde diphenylhydrazone (DEH)作为空穴传输材料对钙钛矿太阳能电池中电子寿命和电池性能的影响[70]. 研究表明, 使用spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 器件内部电子和空穴的复合速率比使用P3HT的器件慢10倍以上, 比使用DEH的器件慢100倍以上.图12 (a)使用MAPb(I1-x Br x)3所组装全固态介观太阳能电池的紫外-可见吸收光谱; (b) FTO导电基板上TiO2/MAPb(I1-x Br x)3双层材料图片;(c) MAPb(I1-x Br x)3禁带宽度随其中Br含量变化而变化的关系[64] Figure 12 (a) UV-vis absorption spectra of devices based on MAPb(I1-x Br x)3 using an integral sphere. (b) Photographs of TiO2/MAPb(I1-xBr x)3 bilayer nanocomposites on FTO glass substrates. (c) Aquadratic relationship of the band-gaps of MAPb(I1-x Br x)3 as a function ofBr composition (x)[64]图13 钙钛矿吸光材料FAPbI y Br3-y的调节: (a) FAPbI y Br3-y紫外-可见吸收光谱随Br含量变化而变化的趋势; (b) FAPbI y Br3-y稳态光致发光光谱随Br含量变化而变化的趋势; (c)含不同量Br的FAPbI y Br3-y薄膜图片[65]Figure 13 Tunability of the FAPbI y Br3-y perovskite system. (a) UV-Vis absorbance of the FAPbI y Br3-y perovskites with varying y, measured in an inte-grating sphere. (b) Corresponding steady-state photoluminescence spectra for the same films. (c) Photographs of the FAPbI y Br3-y perovskite films with y increasing from 0 to 1 (left to right)[65]。
《基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其敏化太阳电池特性》范文
《基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其敏化太阳电池特性》篇一一、引言随着对可再生能源的追求,太阳能电池的研究与开发日益受到重视。
其中,量子点敏化太阳电池(QDSS)以其高光电转换效率和低制造成本的优势,成为了当前研究的热点。
CuInS2量子点作为QDSS中的关键敏化剂,其独特的电子结构和光学性质为提高太阳能电池的光电性能提供了可能。
本文将重点探讨基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其在敏化太阳电池中的应用特性。
二、CuInS2量子点的组分调控CuInS2量子点的组分调控是改善其光电性能的重要手段。
通过调整Cu、In和S元素的相对比例,可以实现对量子点能级结构、电子迁移率和光学带隙的调控。
当Cu、In比例较高时,量子点表现出较好的光吸收性能;而当S元素比例增加时,则能提高量子点的导电性能。
因此,通过精确控制组分比例,可以获得具有优异光电性能的CuInS2量子点。
三、CuInS2量子点的核壳结构调控除了组分调控外,核壳结构的引入也是提高CuInS2量子点性能的有效途径。
核壳结构能够在保持量子点核心性质的同时,提高其稳定性和光吸收效率。
通过在CuInS2量子点外包裹一层能级匹配的壳材料(如ZnS、CdS等),可以形成类型丰富的核壳结构量子点。
这种结构不仅能提高量子点的光学稳定性,还能有效抑制非辐射复合,从而提高太阳能电池的光电转换效率。
四、CuInS2量子点敏化太阳电池特性将经过组分和核壳结构调控的CuInS2量子点应用于敏化太阳电池中,可以显著提高电池的光电性能。
首先,CuInS2量子点的宽光谱响应范围和高的光吸收系数使得太阳电池的光捕获能力得到提升。
其次,通过核壳结构调控,可以延长光生载流子的寿命,减少复合损失,从而提高电池的短路电流和开路电压。
此外,组分调控还能优化量子点的能级结构,使其与太阳能电池的其他组件(如电解质)更加匹配,进一步提高电池的光电转换效率。
五、结论本文通过对CuInS2量子点的组分和核壳结构进行调控,探讨了其在敏化太阳电池中的应用特性。
《CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术研究》范文
《CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术研究》篇一摘要随着太阳电池技术的不断进步,CuInS2基量子点敏化太阳电池因其高光电转换效率和低成本等优势,逐渐成为研究热点。
本文针对CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术进行了深入研究,探讨了掺杂元素对电池性能的影响,核壳结构对光吸收和电子传输的优化作用,以及吸附技术对量子点敏化剂稳定性的提升。
一、引言CuInS2基量子点敏化太阳电池以其优异的性能和较低的成本,在太阳能利用领域具有巨大的应用潜力。
研究其掺杂特性、核壳结构及吸附技术,对于提高电池的光电转换效率、稳定性和使用寿命具有重要意义。
二、CuInS2基量子点的掺杂特性1. 掺杂元素选择CuInS2基量子点的掺杂元素通常包括其他硫族元素如Se、Te等,或是金属离子如Zn、Cd等。
这些元素掺杂可以有效改善CuInS2的电子结构和光电性能。
2. 掺杂对性能的影响通过实验和理论计算,我们发现适量掺杂可以显著提高CuInS2的导电性,同时拓宽其光吸收范围。
不同元素的掺杂对电子传输和光吸收的影响有所不同,需要根据具体需求选择合适的掺杂元素和比例。
三、CuInS2基量子点的核壳结构1. 核壳结构设计为了优化CuInS2基量子点的光吸收和电子传输性能,研究者们设计了多种核壳结构,如CuInS2@ZnS、CuInS2@CdS等。
这些核壳结构可以有效地抑制量子点的表面缺陷,提高电子传输效率。
2. 核壳结构的光电性能核壳结构的引入可以显著提高CuInS2基量子点敏化太阳电池的光电转换效率。
通过实验对比,我们发现具有合适核壳比例的电池具有更高的开路电压和短路电流密度。
四、吸附技术研究1. 吸附剂的选择与应用为了提升量子点敏化剂的稳定性,研究者们采用了一系列吸附剂,如多硫化物、聚合物等。
这些吸附剂可以有效阻止量子点在光照和潮湿环境下的分解和团聚。
2. 吸附技术的改进与效果通过优化吸附剂的分子结构和涂布工艺,可以进一步提高吸附效率,增强电池的稳定性和使用寿命。
《CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术研究》范文
《CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术研究》篇一摘要随着科技的发展,太阳电池的效率与性能日益受到关注。
CuInS2基量子点敏化太阳电池作为一种新型的太阳能转换技术,其掺杂特性、核壳结构以及吸附技术的研究显得尤为重要。
本文将从CuInS2基量子点的掺杂特性入手,深入探讨其核壳结构的设计与优化,并研究其吸附技术在太阳电池中的应用,以期为提高太阳电池的光电转换效率提供理论支持和实践指导。
一、引言CuInS2基量子点敏化太阳电池以其独特的性质和潜在的高效性能在太阳能领域备受瞩目。
该类电池利用CuInS2基量子点作为光敏剂,通过吸附光能并将其转换为电能,从而提升太阳电池的光电转换效率。
本文将重点研究CuInS2基量子点的掺杂特性、核壳结构以及吸附技术,以期为太阳电池的研究和开发提供新的思路和方法。
二、CuInS2基量子点的掺杂特性1. 掺杂元素的选择CuInS2基量子点的掺杂元素选择对于提高其光电性能至关重要。
常见的掺杂元素包括金属元素和非金属元素。
金属元素的掺杂可以改变CuInS2基量子点的电子结构和能级分布,而非金属元素的掺杂则可以改善其表面态和能级匹配。
2. 掺杂方法与过程掺杂方法主要采用化学溶液法或物理气相沉积法。
化学溶液法通过在溶液中添加掺杂元素的前驱体,使掺杂元素与CuInS2基量子点发生化学反应,从而实现掺杂。
物理气相沉积法则通过在高温环境下将掺杂元素引入量子点中,以实现掺杂。
3. 掺杂特性的影响适当的掺杂可以改善CuInS2基量子点的光电性能,提高其光吸收能力和载流子传输效率。
然而,过度的掺杂可能导致量子点结构的破坏和性能的降低。
因此,研究合适的掺杂浓度和掺杂方法对于提高太阳电池的效率具有重要意义。
三、核壳结构的设计与优化1. 核壳结构的设计原理核壳结构的设计旨在提高CuInS2基量子点的稳定性和光电性能。
通过在量子点外包裹一层能级匹配的壳层材料,可以有效地防止量子点的氧化和光腐蚀,同时提高其光吸收能力和载流子传输效率。
《CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术研究》范文
《CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术研究》篇一摘要随着太阳电池技术的不断进步,CuInS2基量子点敏化太阳电池因其高光电转换效率和低成本优势,逐渐成为研究热点。
本文重点研究了CuInS2基量子点的掺杂特性、核壳结构及其在太阳电池中的吸附技术。
通过实验和理论分析,探讨了不同掺杂元素对量子点性能的影响,核壳结构对光吸收和电子传输的优化作用,以及吸附技术对量子点敏化太阳电池性能的提升。
一、引言太阳电池作为将太阳能转换为电能的装置,其效率和稳定性对实际应用具有重要意义。
CuInS2基量子点敏化太阳电池凭借其高光吸收系数和良好的光电转换效率,成为当前研究的重点。
本文将从掺杂特性、核壳结构以及吸附技术三个方面,探讨CuInS2基量子点敏化太阳电池的研究进展。
二、CuInS2基量子点的掺杂特性1. 掺杂元素的选择CuInS2基量子点的掺杂是提高其光电性能的重要手段。
通过选择合适的掺杂元素,可以调整量子点的能级结构、提高光吸收效率、改善电子传输性能。
常见的掺杂元素包括金属元素和非金属元素。
2. 掺杂对量子点性能的影响不同元素的掺杂会对CuInS2基量子点的能带结构、光学性质和电学性质产生不同影响。
实验结果表明,适量掺杂可以显著提高量子点的光吸收能力和光电转换效率。
三、核壳结构的优化作用1. 核壳结构的构建核壳结构是通过在CuInS2量子点外包裹一层或多层其他材料(如硫化锌、硫化镉等)形成的。
这种结构可以保护量子点免受外界环境的影响,提高其稳定性。
2. 核壳结构对光吸收和电子传输的优化核壳结构能够有效地延长光生载流子的寿命,提高光吸收效率。
同时,核壳界面的能级匹配可以改善电子的传输性能,降低电子与空穴的复合几率。
四、吸附技术研究1. 吸附技术的原理吸附技术是通过化学或物理手段将量子点与太阳电池的光阳极紧密结合的技术。
通过适当的吸附层处理,可以提高量子点在光阳极上的附着力和稳定性。
2. 吸附技术对太阳电池性能的提升实验结果表明,采用适当的吸附技术可以显著提高CuInS2基量子点敏化太阳电池的光电转换效率和稳定性。
《2024年CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术研究》范文
《CuInS2基量子点敏化太阳电池的掺杂特性、核壳结构及其吸附技术研究》篇一一、引言近年来,随着环境问题的日益严峻和清洁能源的迫切需求,太阳电池技术的研究逐渐成为国内外科研的热点。
CuInS2基量子点敏化太阳电池因其高光电转换效率和低成本优势,受到了广泛关注。
本文将重点探讨CuInS2基量子点的掺杂特性、核壳结构以及吸附技术等方面的研究进展。
二、CuInS2基量子点的掺杂特性1. 掺杂概述掺杂是提高太阳电池性能的重要手段之一。
在CuInS2基量子点中,通过引入杂质元素,可以有效地调整其能带结构,提高光吸收效率和载流子传输性能。
2. 掺杂元素选择常见的掺杂元素包括金属元素和非金属元素。
金属元素的引入可以改变CuInS2的能带结构,而非金属元素的引入则可以调节其带隙宽度,从而优化太阳电池的光电性能。
3. 掺杂方法及效果掺杂方法主要包括物理掺杂和化学掺杂。
物理掺杂主要通过高温固相反应将杂质元素引入CuInS2基体中;化学掺杂则通过溶液化学方法实现杂质元素的替代或插入。
实践证明,合适的掺杂方法能够显著提高CuInS2基量子点的光电转换效率。
三、核壳结构的构建与应用1. 核壳结构概述核壳结构是指在CuInS2量子点外层包裹一层或多层其他材料,以改善其稳定性和光电性能。
常见的外壳材料包括硫化锌、硫化铅等。
2. 核壳结构的构建方法核壳结构的构建主要通过溶液化学方法实现,包括共沉淀法、逐层生长法等。
这些方法可以在温和的条件下实现核壳结构的精确控制。
3. 核壳结构的应用效果核壳结构能够有效地提高CuInS2基量子点的光稳定性和光吸收能力,同时改善载流子的传输性能,从而提高太阳电池的光电转换效率。
四、吸附技术研究1. 吸附技术概述吸附技术是指通过在CuInS2基量子点表面引入官能团或其他物质,以提高其对光的吸附能力和与其他材料的相互作用力。
2. 吸附技术的方法与实现吸附技术主要采用表面修饰和自组装等方法。
通过在量子点表面引入适当的官能团或分子层,可以有效地提高其对光的吸附能力和与其他材料的相互作用力。
《2024年基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其敏化太阳电池特性》范文
《基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其敏化太阳电池特性》篇一一、引言随着对可再生能源需求的日益增长,太阳能电池的研究与开发成为了科研领域的热点。
CuInS2量子点因其独特的电子结构和光学性质,在敏化太阳电池领域具有广泛的应用前景。
本文将探讨基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点及其在敏化太阳电池中的应用特性。
二、CuInS2量子点的组成与性质CuInS2量子点是一种三元硫化物量子点,其组成元素包括铜、铟和硫。
由于量子尺寸效应,CuInS2量子点具有独特的光学和电子性质,如较高的光吸收系数、较长的载流子寿命和良好的光电转换效率。
此外,通过调整组分比例,可以进一步优化其光学和电子性能。
三、核壳结构调控的CuInS2量子点为了进一步提高CuInS2量子点的稳定性、提高其光电性能,研究人员采用核壳结构调控的方法。
在CuInS2量子点外包裹一层或多层其他材料(如ZnS、CdS等),形成核壳结构。
这种结构不仅提高了量子点的化学稳定性,还有助于调节其能级结构,从而优化敏化太阳电池的性能。
四、组分和核壳结构对CuInS2量子点性能的影响组分和核壳结构的调控对CuInS2量子点的性能具有显著影响。
通过调整Cu、In、S的组分比例,可以改变量子点的能级结构和光学性质,从而提高其光吸收能力和光电转换效率。
而核壳结构的引入则能提高量子点的化学稳定性和光电性能,延长载流子的寿命。
这些优势使得基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点在敏化太阳电池中具有优异的表现。
五、敏化太阳电池特性基于组分和核壳结构调控的CuInS2量子点敏化太阳电池具有以下特性:1. 高光吸收能力:CuInS2量子点具有较高的光吸收系数,能够有效地吸收太阳光,提高光电转换效率。
2. 长的载流子寿命:核壳结构的引入延长了载流子的寿命,减少了复合损失,提高了电池的稳定性。
3. 优化的能级结构:通过调整组分和核壳结构,可以优化量子点的能级结构,使其与太阳能电池的其他组件更好地匹配,从而提高整体性能。
李永舫, 苯基侧链,有机太阳能电池受体
李永舫, 苯基侧链,有机太阳能电池受体李永舫, 苯基侧链和有机太阳能电池受体为了满足目前日益增长的能源需求以及环境保护的要求,太阳能作为一种清洁可再生的能源正受到越来越多的关注。
有机太阳能电池作为太阳能利用的一种重要技术,具有资源丰富、制备简单、柔性可塑性强等优点,因此成为了研究的热点之一。
在有机太阳能电池中,受体材料起到接受光子能量和产生电荷的关键作用。
而李永舫教授及其研究团队以苯基侧链作为主要结构单元,设计并合成了一系列有效的有机太阳能电池受体材料,取得了显著的研究成果。
首先,苯基侧链在有机太阳能电池受体中发挥了至关重要的作用。
苯基侧链是一种强电子给体,其它官能团将带有杂原子如氧、硫等的官能基连接在苯环的侧链位置,形成了共轭体系。
这种结构具有高电子迁移率和良好的电子亲和力,有利于电子的输送和抽取,从而提高了有机太阳能电池的电荷传输效率。
此外,苯基侧链的引入还可以调节受体材料的光学、电学性质和能级结构,使得有机太阳能电池的光电转换效率得到进一步提高。
其次,李永舫教授及其研究团队基于苯基侧链,设计并合成了一系列高效的有机太阳能电池受体材料。
这些受体材料具有良好的溶解性、热稳定性和光电性能,能够与供体材料形成良好的共混体,实现高效的光电转换。
例如,团队设计合成了一种以苯基炔为核心的受体材料,在有机太阳能电池中表现出了高的光电转换效率。
另外,他们还通过调控苯基侧链的结构,合成了一系列不同的受体材料,用于实现宽波长范围内的光电转换。
这些研究成果为有机太阳能电池的性能优化提供了新的途径。
最后,李永舫教授及其研究团队对苯基侧链结构与有机太阳能电池性能之间的关系进行了深入研究。
他们通过对比不同结构的苯基侧链对电池性能的影响,解析了苯基侧链的影响机制。
研究结果表明,苯基侧链的长度、取代基的种类和位置等因素均对光电转换效率起到了重要的影响。
通过有选择性地引入不同结构的苯基侧链,可以调控有机太阳能电池的能级对齐和电荷分离,实现更高效的光电转换。
CuInS2量子点的合成及在太阳电池中的应用研究
CuInS2量子点的合成及在太阳电池中的应用研究
岳文瑾;聂光军
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2013(027)017
【摘要】介绍了CuInS2量子点的合成方法及在几种结构的太阳电池(如全无机纳米结构太阳电池、染料敏化电池及聚合物太阳电池)中的应用,尤其是针对聚合物太阳电池,分析了器件效率低的原因并提出了提高该类太阳电池效率的方法.
【总页数】5页(P43-47)
【作者】岳文瑾;聂光军
【作者单位】安徽工程大学生物与化学工程学院,芜湖241000;安徽工程大学生物与化学工程学院,芜湖241000
【正文语种】中文
【中图分类】TM914.4
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CuInS2三元量子点荧光探针测定新霉素
CuInS2三元量子点荧光探针测定新霉素毛永强;胡美娜;李娜【摘要】采用水热法制备了巯基乙酸修饰的CuInS2三元量子点,基于CuInS2量子点荧光强度能够被新霉素显著猝灭的特性,建立了CuInS2三元量子点荧光探针测定新霉素的方法.优化的试验条件如下:①p H 8.0的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液的用量为0.5 mL;②CuInS2量子点的浓度为2.0×10-7mol·L-1;③ 反应时间为5 min.新霉素的浓度在1.0×10-8~2.0×10-7mol·L-1内与其对应的荧光猝灭强度呈线性关系,检出限(3s/k)为2.0×10-10mol·L-1.以空白样品为基体进行加标回收试验,所得回收率在98.4%~106%之间,测定值的相对标准偏差(n=5)在1.9%~2.4%之间.%The ternary CuInS2 quantum dots were prepared using thioglycolic acid as modifiers by hydrothermal synthesis method.Based on the fact of the fluorescence intensity of CuInS2 quantum dots could be quenched remarkably by neomycin,a method for determination of neomycin with ternary CuInS2 quantum dots as fluorescent probe was established.The optimized conditions found were as follows:① amount of Tris-HCl buffer solution of pH 8.0:0.5 mL;②concentration of CuInS2 quantum dots:2.0×10-7mol·L-1;③time of reaction:5 min.Linear relationship between values of the fluorescence quenching intensity and concentration of neomycin was obtained in the range of 1.0×10-8-2.0×10-7mol·L-1 ,with detection limit (3s/k)of 2.0×10-10mol·L-1 .On the base of blank sample,test for recovery was made by standard addition method;values of recovery found were in the range of 98 .4%-106%,with RSD′s (n= 5 )in the range of 1 .9%-2 .4%.【期刊名称】《理化检验-化学分册》【年(卷),期】2017(053)005【总页数】4页(P538-541)【关键词】CuInS2量子点;新霉素;荧光探针【作者】毛永强;胡美娜;李娜【作者单位】辽宁工程技术大学理学院,阜新123000;辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室,阜新123000;辽宁工程技术大学理学院,阜新123000;辽宁工程技术大学理学院,阜新123000【正文语种】中文【中图分类】O657.3新霉素(NEO)是一种易溶于水、性质稳定的氨基糖甙类抗生素,对很多植物病原菌具有较好的抑制作用,可有效防治大白菜软腐病、姜瘟病、柑桔溃疡病等果蔬病害[1]。
美国华裔教授研发新方法大幅提高钙钛矿太阳电池效率
美国华裔教授研发新方法大幅提高钙钛矿太阳电池效率佚名
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2014(38)3
【摘要】加州大学洛杉矶分校材料科学工程学系华裔教授杨阳(音译)领导的研究团队,经过7个月的研究.成功研发出新方法,大幅提高了钙钛矿太阳电池的光电转换效率,生产出大面积钙钛矿太阳电池。
【总页数】2页(P406-407)
【关键词】太阳电池;钙钛矿;电池效率;研发;华裔;美国;光电转换效率;材料科学【正文语种】中文
【中图分类】TM914.4
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Hybrid solar cells based on CuInS 2and organic buffer –sensitizer layersS.Bereznev a,⁎,R.Koeppe b ,I.Konovalov c ,J.Kois a ,S.Günes b ,A.Öpik a ,E.Mellikov a ,N.S.Sariciftci baTallinn University of Technology,Department of Materials Science,Ehitajate tee 5,19086Tallinn,Estonia bLinz Institute for Organic Solar Cells (LIOS),Johannes Kepler University,Altenbergerstr.69,A-4040Linz,Austria cUniversität Leipzig,Wilhelm Ostwald Institute for Physical and Theoretical Chemistry,Linnéstr.2,04103Leipzig,GermanyAvailable online 17January 2007AbstractHybrid solar cells on the basis of CuInS 2(CIS)photoabsorber on Cu-tape (CISCuT)in combination with organic buffer layers of Zn-phthalocyanine (ZnPc),ZnPc:fullerene (ZnPc:C 60)composite and conductive polymer buffer layers of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)doped with polystyrenesulfonate (PSS)were prepared using vacuum evaporation and spin-casting techniques.To prepare solar cells with an active area of 2cm 2,the appropriate deposition parameters and thickness of ZnPc,ZnPc:C 60and PEDOT-PSS layers were selected experimentally.For preparation of semitransparent contact-window layers,chromium and gold were evaporated on the surface of ZnPc,ZnPc:C 60and PEDOT-PSS films.It was found that an intermediate chromium layer improves PV properties of the structures with organic buffer layers.The photosensitivity at small illumination intensities of complete structures with ZnPc and ZnPc:C 60layers increased more than one order of magnitude in comparison with the structures where the PEDOT-PSS buffer layer was deposited.The presence of C 60in the composite-buffer layer results in increased photoconductivity.The best structure with composite ZnPc:C 60buffer layer showed an open-circuit voltage of 560mV ,a short-circuit current density of around 10mA/cm 2and a photoconversion efficiency of around 3.3%under the light illumination with an intensity of 100mW/cm 2from a tungsten –halogen lamp.The low transmission of the semitransparent chromium –gold window layer is the reason for relatively low current density.©2006Elsevier B.V .All rights reserved.Keywords:CuInS 2;PEDOT;Solar cell;Buffer layer1.IntroductionMore than 95%of the solar cells in use today are made of crystalline silicon (c-Si);the average cost of the electricity generated is $0.3/kW h.By comparison,in most parts of the United States,electricity costs about $0.06/kW h.Thus,costs are approximately five times as much for electricity from solar cells.If the cost of producing solar cells could be reduced by a factor of 10,solar energy would be not only environmentally,but also economically favorable [1].In the field of research and development of low-cost solar energy converters,hybrid organic –inorganic solar cells in an all thin-film configuration deserve a serious investigation.For example,prospective materials for substitution of inorganic semiconductors in solar cells can be conductive polymers andphotosensitive organic semiconductors [2–8].The idea of using these materials is supported by the fact that no dangling bonds exist on the surface of organic semiconductors and they should not create additional centres of trapping and recombination at the interface with an inorganic photoabsorber.Furthermore,the large dimensions of organic molecules should strongly limit the rate of their diffusion in inorganic layers and the formation of new impurity centres.CuInS 2(CIS)is a photoabsorbing semiconductor with a direct band gap close to 1.5eV .It exhibits a high light absorption coefficient in the visible spectral range and stability.In our investigations,Cu/CIS structures were used,fabricated at Institut für Solartechnologien (Frankfurt (Oder),Germany).The so-called CISCuT deposition method was used to form a polycrystalline CIS absorber layer on a copper tape [8].The idea of this method is a fast roll-to-roll sulfurization in S x +N 2gas atmosphere at 500–600°C.The precursor is indium electrodeposited onto the copper tape substrate.TheCu/CISThin Solid Films 515(2007)5759–5762/locate/tsf⁎Corresponding author.E-mail address:sergei@staff.ttu.ee (S.Bereznev).0040-6090/$-see front matter ©2006Elsevier B.V .All rights reserved.doi:10.1016/j.tsf.2006.12.074structures(manufactured in2004),which were used for the studies presented here,have shown efficiencies up to7%(V oc was around600mV)in the usual production cycle(CuI buffer deposited by spray process).It should be noted,that roll-to-roll process is a prospective technique for preparing low-cost solar cells to be directly incorporated into roofing materials,thus reducing installation costs.On the other hand,organic semiconductors that can be dissolved in common solvents and coated onto various substrates are promising candidates for this application.In the present study,a number of new hybrid solar cells based on Cu/CIS substrate/absorber and organic buffer layers of Zn-phthalocyanine(ZnPc),ZnPc:C60composite,and conductive polymer buffer layer of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT)doped with polystyrenesulfonate(PSS)was prepared and investigated.In this approach,the organic layer isconsidered as an alternative for the traditional buffer layer in the conventional cell structure[7].2.ExperimentalAqueous suspension of1.5%PEDOT-PSS was purchased from Aldrich and an appropriate mixture for spin-coating was prepared as described in a previous paper[7].The mixture was spin-coated on Cu/CIS substrates and dried at40°C in vacuum for3h.The average thickness of PEDOT-PSS films was about 50nm.Thin films of ZnPc and ZnPc:C60composite(1:1)with a thickness of20nm were thermally evaporated in high vacuum about10−7Torr onto the CIS surface.The substrates do not need to be heated in this procedure.All investigated photovoltaic structures were fabricated in sandwich configurations Cu/CIS/ZnPc/Cr/Au,Cu/CIS/ZnPc:C60/ Cr/Au and Cu/CIS/PEDOT-PSS/Cr/Au as shown in Fig.1.For preparation of semitransparent chromium–gold contact-window layers,chromium and gold were evaporated on the surface of the PEDOT-PSS,ZnPc and ZnPc:C60composite films using LEY-BOLD LH evaporator integrated with the glove box MBRAUN MB150B-G.The lux–voltage measurements were performed using grey light filters of various optical densities and TES1323 Digital Lux Meter.Current–voltage characteristics were measured using Autolab PGSTAT30potentiostat/galvanostat.The light with an intensity of100mW/cm2from a tungsten–halogen lamp was used for irradiation.The active area of the junctions CIS/ZnPc, CIS/ZnPc:C60and CIS/PEDOT-PSS was2cm2.3.Results and discussionAccording to our approach,a photovoltaic p-i-n structure is formed between the intermediate buried layer of In-rich CIS, low-doped or undoped CIS at the surface of the absorber and PEDOT-PSS or ZnPc buffer layer(Fig.1).The physical concept of operation of solar cells based on CISCuT photoabsorber with p-type buffer layer was presented in the paper[9]in more detail. As it was proposed in previous studies[8],the deposition of PEDOT-PSS and phthalocyanine films on the surface of CISCuT layers gives a small decrease of the potential energetic barrier and an increase in the efficiency of hole collection through the CISCuT–organic hole conductorinterface.Fig. 1.Schematic drawing of complete PV structures based on CISCuTphotoabsorber and PEDOT-PSS,ZnPc and ZnPc:C60composite-bufferlayers.Fig.2.The incident photon to current conversion efficiency(IPCE)spectrum forrepresentative CIS/PEDOT-PSS and CIS/ZnPc PVjunctions.Fig. 3.I–V characteristics of complete PV structures based on CISCuTphotoabsorber and PEDOT-PSS,ZnPc and ZnPc:C60composite-buffer layers:str.nr.209—Cu/CIS/ZnPc:C60(20nm)/Cr(2nm)/Au(20nm)/Au stripe(200nm);str.nr.181—Cu/CIS/ZnPc(20nm)/Cr(2nm)/Au(20nm)/Au stripe(200nm);str.nr.197—Cu/CIS/PEDOT-PSS(50nm)/Cr(2nm)/Au(20nm)/Austripe(200nm).5760S.Bereznev et al./Thin Solid Films515(2007)5759–5762The resulting thickness of PEDOT-PSS buffer,and its morphology depends on the dilution,composition of the solution mixture and on the rotation speed during spin-coating.The best result was obtained by spin-coating of PEDOT-PSS aqueous dispersion which was mixed with glycerin,N-methyl-2-pyrroli-done(NMP)and isopropanol as described in the previous paper [7].In our devices,the optimal thickness of PEDOT-PSS was about50nm.In the case of ZnPc and ZnPc:C60buffer layers,high quality uniform films with a thickness of20nm were obtained by evaporation of ZnPc or co-evaporation of ZnPc with C60in high vacuum.It was found,that the intermediate chromium layer between the gold contact and the buffer layer improves PV properties of prepared structures with organic buffer layers.In our assumption, this phenomenon is related to the suppression of a deep gold penetration into the buffer layer by the chromium intermediate layer.It should be noted,that the active area of the prepared solar cells was increased from10–20mm2[7]to2cm2(close to overall size of the sample).It is an important step towards solar cell production.The incident photon to current conversion efficiency(IPCE, Fig.2)for a CIS/PEDOT-PSS and CIS/ZnPc PV junctions reveals that the light absorbed by CIS leads to a photocurrent in a wide spectral range.In the graphs,the contribution of CIS to the photocurrent can be easily recognized in the range of visible light as a broad peak typical for photoabsorbers based on copper indium chalcogenides.Even though ZnPc is widely used as a photoactive material in solar cells[10],it does not contribute strongly to the photocurrent generated by the CISCuT/ZnPc solar cell.Our data show,that the IPCE of ZnPc-cells is comparatively lower in the range where ZnPc is absorbing(around600nm of the wavelength value).A significant photovoltage and photocurrent of the fabricated solar cells have been observed under tungsten–halogen light illumination with an intensity of100mW/cm2.Fig.3shows I–V characteristics of the best obtained structures having an active area of2cm2with PEDOT-PSS and ZnPc or ZnPc:C60composite-buffer layers.The best obtained hybrid PV structure Cu/CIS/ ZnPc:C60/Cr/Au has reached an efficiency of around 3.3% (Table1).Doping of the ZnPc layer by C60results in a higher photoconductivity because of a photoinduced electron transfer from the ZnPc to the fullerene[11],thus decreasing the series resistance in the device and improving the fill-factor and current in the device.The lux–voltage measurements(Fig.4)show that the structures with ZnPc buffer layer were much more sensitive at low illumination intensity in comparison with PEDOT-PSS based cells.According to our assumption,use of organic photoabsorber ZnPc reduces the shunt resistance of the structure and therefore increases the sensitivity at low illumination intensity conditions.Fig.5shows the optical transmission spectrum through the Cr(2nm)/Au(20nm)top contact-window layer.It should be noted,that parasitic absorption of light in the semitransparent top layer decreases the photovoltage/photocurrent in the prepared cells.On the other hand,a too thin Cr/Au layer increases the series resistance of the structure,even though a narrow(2mm)bus bar of thick gold was applied to channel the current to the contact point.Further studies will have to include the deposition of a more transparent electrode with good contact properties on top of the organic buffer layer.Table1PV parameters of prepared hybrid structures under light illumination with an intensity of100mW/cm2from a tungsten–halogen lampStructure number a Open-circuitvoltage V oc,mVShort-circuit currentdensity I sc,mA/cm2Fill-factor FF Active area S act,cm2Maximal output powerP max,mWPhotoconversionefficiencyη,%2095609.90.602 6.6 3.3 1815427.30.582 4.5 2.3 1974858.30.512 4.1 2.1a Structure number209—Cu/CIS/ZnPc:C60(20nm)/Cr(2nm)/Au(20nm)/Au stripe(200nm);structure number181—Cu/CIS/ZnPc(20nm)/Cr(2nm)/Au(20nm)/Au stripe(200nm);structure number197—Cu/CIS/PEDOT-PSS(50nm)/Cr(2nm)/Au(20nm)/Au stripe(200nm).Fig.4.Lux–voltage characteristics of complete PV structures based on CISCuT photoabsorber and PEDOT-PSS or ZnPc buffer layers:str.nr.181—Cu/CIS/ ZnPc(20nm)/Cr(2nm)/Au(20nm)/Au stripe(200nm);str.nr.197—Cu/CIS/ PEDOT-PSS(50nm)/Cr(2nm)/Au(20nm)/Au stripe(200nm).Fig.5.Light transmission spectrum through Cr(2nm)/Au(20nm)top contact-window layer.5761S.Bereznev et al./Thin Solid Films515(2007)5759–57624.ConclusionsFlexible hybrid solar cells based on the CISCuT material and utilizing thin-film buffer layers of the conductive polymer PEDOT-PSS and the organic photoabsorber ZnPc or a ZnPc: C60composite were prepared and characterized.Special attention was paid to the preparation of a semitransparent Cr/Au top-window layer with the aim to prevent Au penetration into the structure.The best structure with the ZnPc:C60composite-buffer-sensitizer layer so far showed a photoconversion efficiency of around3.3%under tungsten–halogen lamp light illumination of 100mW/cm2intensity.It should be noted,that cells with ZnPc buffer–sensitizer layer are much more photosensitive at low illumination intensity in comparison with cells with a conductive polymer buffer layer,making these structures highly interesting for indoor applications as studied in the Euro-PSB project.We have shown that our deposition technique gives us a way to prepare flexible hybrid solar cells using relatively simple step-by-step methods.AcknowledgementsFinancial support from INTAS Project Ref.No.03-51-4561 and from the Estonian Science Foundation(G6162)is acknowl-edged.The authors thank Dr J.Penndorf(IST Frankfurt(Oder), Germany),for the preparation of the CISCuT material and Dr.O. Tober(IST Frankfurt(Oder),Germany),for the fruitful discus-sion.The European Project EURO PSB is acknowledged for the collaboration between Tallinn University of Technology and LIOS.References[1]C.Goh,M.D.McGehee,Bridge35(4)(2005)33.[2]A.J.Frank,S.Glenis,A.J.Nelson,J.Phys.Chem.93(1989)3818.[3]P.Chartier,H.Nguyen Cong,C.Sene,Sol.Energy Mater.Sol.Cells52(1998)413.[4]P.J.Sebastian,S.A.Gamboa,M.E.Calixto,H.Nguyen-Cong,P.Chartier,R.Perez,Semicond.Sci.Technol.13(1998)1459.[5]W.U.Huynh,J.J.Dittmer,W.C.Libby,G.L.Whiting,A.P.Alivisatos,Adv.Funct.Mater.13(1)(2003)73.[6]S.Bereznev,J.Kois,I.Golovtsov,A.Öpik,E.Mellikov,Thin Solid Films511–512(2006)425.[7]S.Bereznev,I.Konovalov,A.Öpik,J.Kois,Synth.Met.152(2005)81.[8]A.Verbitsky,Ya.Vertsimakha,P.Lutsyk,S.Studzinsky,S.Bereznev,J.Kois,Semiconductors40(2)(2006)197.[9]M.Winkler,J.Griesche,I.Konovalov,J.Penndorf,J.Wienke,O.Tober,Sol.Energy77(2004)705.[10]S.R.Forrest,MRS Bull.30(2005)28.[11]T.Tsuzuki,Y.Shirota,J.Rostalski,D.Meissner,Sol.Energy Mater.Sol.Cells61(2000)19.5762S.Bereznev et al./Thin Solid Films515(2007)5759–5762。