太阳能电池与光致变色.ppt

一 纳米结构表面敏化太阳能电池 1 太阳能电池研究进展 光电化学太阳能电池是根据光生伏特原理 将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件 这是伴随着半导体电化学发展起来的一个崭新的科学研究领域 在硅太阳能电池中 目前发展较为成熟的有单晶 多晶及非晶硅太阳能电池 由于制作工艺复杂 成本高 不能大规模推广应用 人们从改进工艺 寻找新材料 电池薄膜化方面做了大量研究 近20年 人们一直在探索高比表面积的纳米薄膜电极的制备方法 这种纳米微粒形成的薄膜经光敏材料或者窄带隙纳米微粒修饰可以提高膜的光电转换特性 所以纳米薄膜电极的研究是提高光电化学太阳能电池转换效率的有效途径之一 20世纪60年代 徳国Tributsch得出染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理 成为光电化学电池的重要基础 1971年Honda和Fujishima用TiO2电极光助电解水 获得了氢气 开始了具有实际意义上的光电化学电池的研究 进入80年代 美国A Heller和意大利G Razzini等人所制作的光电化学电池转换效率已达12 1991年 瑞士M Gratzel教授以纳米多孔TiO2膜为半导体电极 以过渡金属Ru的有机化合物作染料 制备出纳米薄膜太阳能电池 在太阳光下光电转换效率达7 1 近期报道的TiO2纳米薄膜光电化学太阳能电池的光电转换效率达到33 Gratzel研究突破的关键 多孔纳米TiO2薄膜具有高比表面积 不但能吸附更多的单层染料分子 而且太阳光在粗糙表面内多次反射 可被染料分子反复吸收 极大地提高了太阳光的利用率 研究意义 1 72年Fujishima光解水实验 奠定了光电化学的基础光电化学内容 80年代初热点 90年代纳米技术 新的发展机遇 2 目前状况 稳定性差 寿命短 材料失活 量子产率低 光电转换效率低 3 提高效率的两个途径 合成新型光电功能材料 构建新型结构光电器件 新的分析测试技术 光电界面过程理论研究 4 新材料 纳米粒子薄膜 多元组分复合 纳米粒子掺杂 表面修饰纳米薄膜等材料 新技术 表面光电压谱 光谱电化学分析仪 XPS AFM IR等 2 纳米薄膜半导体电极 纳米薄膜电极的制备方法 1 纳米微粒溶胶直接涂在基底上 经烧结形成纳米薄膜电极 2 电化学 化学沉积方法直接制备到基体上 纳米薄膜电极材料 TiO2 ZnO CdS WO3 SnO2等 敏化剂特点 吸收尽可能多的太阳能 紧密吸附在纳米薄膜表面 与相应的纳米能带匹配 激发态寿命长 稳定性好 存在问题 1991年Gratzel首先使用联吡啶钌 TiO2体系使光电转换效率达约10 光电流密度达到12mA cm2 敏化剂的敏化效果很理想 但近红外区吸收很弱 吸收光谱与太阳光谱不匹配 研究目标 寻求新的染料敏化体系 尽可能地利用太阳光能 3 纳米薄膜半导体材料 溶液界面结构 图1半导体 溶液界面双电层模型 图2 本体半导体 溶液界面和纳米薄膜 溶液界面能带结构模型 a 体相半导体 溶液 b 纳米薄膜 溶液 图4 Gratzel型PEC的结构示意图 4 敏化的纳米薄膜半导体电极 PEC结构 图4 Gratzel型PEC的结构示意图 Gratzel型PEC的结构组成 镀有透明导电膜的导电玻璃 多孔TiO2纳米薄膜电极 染料光敏化剂 电解质 ITO玻璃上镀有Pt层 多孔纳米TiO2电极具有高的比表面积 敏化剂为 2 2 联吡啶 4 4 二羧基 钌 电解质 I I3 化合物组成 其作用是还原被氧化了的染料分子 并起电子运输的作用 光阴极镀Pt 5 PEC工作原理 图5 Gratzel型PEC能带结构示意图 PEC工作原理 Gratzel型PEC工作原理 电极TiO2微粒 Eg 3 2eV 可见光不能激发 受激发的是TiO2表面吸附的一层染料敏化剂 在可见光作用下 染料分子吸收光能跃迁到激发态 由于激发态能级在TiO2导带之上 光生电子跃迁到TiO2导带 进入TiO2导带中的电子进入导电玻璃 然后通过外电路产生光电流 染料和半导体之间的光致电荷转移两种不同的机制 一 直接注入机制 二 间接注入机制或称能量转移机制 二者区别 直接注入机制是染料分子将电子从激发态能级注入到半导体导带 间接注入机制是激发态染料分子首先将能量转移给半导体表面态并使其激发 从而实现电子向半导体能带的注入 要求 无论哪一种机制 要求染料分子具有较高可见光响应 能级结构与半导体能带位置较好地匹配 如图5 敏化剂基态 激发态的位置及电解质中氧化还原电对的电位合理配置 器件才能正常运行 循环过程 被氧化了的染料分子被还原回到基态 氧化态染料分子在阴极被I 还原 同时电解质中I3 被从阴极进入的电子还原成I 完成一个循环 整个光电化学反应过程下列式子表示 染料激发 产生光电流 染料还原 电解质还原 暗电流 影响Gratzel型PEC光电转换效率主要因素 1染料敏化剂的光谱吸收特性 目前最好的RuL2 NCS 2的吸收限到500nm左右 寻找具有更宽吸收范围的染料敏化剂 有助于提高光电流密度 2电解质的氧化还原电位 提高电解质的氧化还原电位将提高电池的开路电压 但必须和染料的氧化还原电位相匹配 为了达到商业化的标准 溶液电解质要用固体电解质 提高PEC的稳定性和使用寿命 二 PECT EBTiO2纳米薄膜电极性质的研究 图2 1为PECT的分子结构 还原态 氧化态 图2 2PECT LEB a 和PECT EB b 分子的吸收光谱 图2 3 PECT EB的能级结构示意图 图2 4TiO2 ITO a 和PECT EB TiO2 ITO b 薄膜电极的SPS谱 a 无光照 b 470nm c 600nm d 400nm e 330nm TiO2 ITO薄膜电极的循环伏安曲线 TiO2 ITO电极光电流作用谱 a b c TiO2 ITO电极0 0V的瞬态光电流 时间谱 a 330nm b 470nm c 500nm TiO2 ITO电极330nm光照的瞬态光电流 时间谱 0 0V 0 2V 0 2V PECT EB TiO2 ITO电极 PECT EB TiO2 ITO薄膜电极的循环伏安曲线无光照 a 光照 b c d e PECT EB TiO2 ITO薄膜电极不同电位的光电流作用谱 PECT EB TiO2 ITO电极 PECT EB TiO2 ITO薄膜电极的瞬态光电流 时间谱电位0 0V时 330nm 470nm 500nm 600nm PECT EB TiO2 ITO电极 PECT EB TiO2 ITO薄膜电极能带结构和光电转换机理示意图 PECT EB TiO2 ITO电极 三 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性研究 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性 n Si 100 电极0 6 0 4V电位的光电流作用谱 PECT EB n Si 100 电极不同电位的光电流作用谱 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性 n Si 100 800nm光照的多电位阶跃光电流谱 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性 PECT EB n Si 100 800nm光照的多电位阶跃光电流谱 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性 n Si 100 0 6V 330nm 500nm和800nm光照的瞬态光电流谱 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性 PECT EB n Si 100 0 6V 330nm 500nm和800nm光照的瞬态光电流谱 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电流原理示意图 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性 n Si 100 PECT EB n Si 100 TPP n Si 100 和 4T n Si 100 薄膜电极0 6V电位 500nm光照的瞬态光电流谱 PECT EB n Si 100 薄膜电极光电化学特性 三氧化钼薄膜光致变色特性研究 光致变色机理 1 薄膜在一定能量的光辐射下 产生光生电子和空穴 1 2 由于在MoO3膜界面处形成了向上的带弯 在界面 自建场 的作用下 光生空穴将沿着价带向界面迁移 与吸附在表面的可还原物质 如水等 发生氧化还原反应 生成质子H 2 3 随后质子扩散进入MoO3晶格 光生电子沿着带弯方向扩散到MoO3薄膜的体相 与质子及MoO3发生反应生成钼青铜 HxMo4 1 xMo5 xO3 3 4 该化合物因价间电子迁移而显蓝色 4 5 光生电子和空穴复合 5 三氧化钼与金纳米粒子复合薄膜光致变色特性的研究 实验部分 制备出MoO3薄膜和MoO3 Au纳米粒子复合膜 光致变色试验 紫外光变色光源为500W的高压汞灯 样品距光源约15cm 直接照射3min 即得变色后的MoO3薄膜和MoO3 Au复合膜 白色变蓝色 薄膜的表征采用紫外可见分光光度计测定MoO3和MoO3 Au变色前后的吸收光谱 采用XPS测定两种样品变色前的价带谱 MoO3 Au复合膜变色机理 在光辐射下 MoO3 Au复合膜与MoO3薄膜均能产生光生电子和空穴 并变为蓝色 在MoO3 Au复合膜界面处由于形成了Schottky势垒 有效地提高了光生载流子的分离效率 抑制了光生电子 空穴对的复合 提高了光生电子和空穴同时参与光致变色反应的利用率 而在MoO3薄膜中 MoO3 气体界面上的Schottky势垒高度远小于MoO3 Au复合膜界面上的势垒高度 其光生电子 空穴对的复合率较高 由于光生电子 空穴对的复合是导致光致变色效率较低的主要原因 因此 MoO3薄膜与金纳米粒子复合 光致变色效率显著提高 PhotochromismofWO3ColloidsCombinedwithTiO2Nanoparticles Figure1 TEMimagesofWO3colloids Figure2 TEMimageoftheTiO2colloid Figure3 TEMimagesofWO3 TiO2colloids Figure4 UV visspectraof A WO3and B WO3 TiO2colloids afterUV lightirradiationfor3min Figure5 UV visspectraoftheWO3colloidscombinedwithTiO2andH2C2O4nanoparticlesatdifferentconcentrations Figure6 SchematicdiagramoftheenergylevelsofTiO2andWO3colloids 变色机理 在光辐射下 WO3 TiO2溶胶变为蓝色 其原因是WO3 TiO2复合有效地提高了光生载流子的分离效率 抑制了光生电子 空穴对的复合 提高了光生电子和空穴同时参与光致变色反应的利用率 使WO3形成的缺陷能级间产生强吸收 导致了光致变色效率