CdSe量子点敏化纳米TiO2太阳能电池的电化学交流阻抗谱

1、CdSe量子点敏化纳米量子点敏化纳米TiO2太太阳能电池的电化学交流阻抗阳能电池的电化学交流阻抗谱谱一.二.三.四.引言引言实验实验结果与讨论结果与讨论结论结论目录目录一一 引言引言纳米纳米TiO2染料敏化太阳能电池（染料敏化太阳能电池（DSSCsDSSCs）优点：成本低廉，制备工艺简单，光电转换效率优点：成本低廉，制备工艺简单，光电转换效率高，已达高，已达12%12%。为了进一步降低成本，提高电池性能，研究者致为了进一步降低成本，提高电池性能，研究者致力于开发低成本高效率的有机和无机材料，其中力于开发低成本高效率的有机和无机材料，其中纳米半导体量子点（纳米半导体量子点（DQDQ）成为研究热点

2、。）成为研究热点。高消光系数高消光系数尺寸效应尺寸效应多倍载流子效应多倍载流子效应量子限于效应量子限于效应可望实现超过可望实现超过100%的量子效率的量子效率一一 引言引言高吸光系数高吸光系数缺点：与缺点：与DSSCs相相比，比，QDSSCs的光的光电转化效率仍然很电转化效率仍然很低。低。QD sQD s的特点的特点一一 引言引言本文分析本文分析了QDSSCs光电转换效率低的原因，光电转换效率低的原因，主要对主要对QDSSCs的交流阻抗谱进行了分析，并的交流阻抗谱进行了分析，并且将测试结果与典型的且将测试结果与典型的DSSCs的电化学交流阻的电化学交流阻抗进行了对比分析。抗进行了对比分析。二二

3、 实验实验1. CdSe QDs及其敏化及其敏化TiO2电极的制备电极的制备a.溶剂热法制备溶剂热法制备CdSe QDs油酸和三辛基磷油酸和三辛基磷化氢化氢甲苯甲苯SeSe十四烷酸镉十四烷酸镉180oC15hCdSeCdSe QDsQDs乙醇沉淀洗乙醇沉淀洗涤涤三次三次重新重新胶胶溶在溶在甲甲苯苯中中 二二 实验实验b.敏化敏化TiO2电极的制备电极的制备TiO2纳米纳米TiO2浆料浆料（20400nm）涂敷在涂敷在FTOFTO导电玻璃上导电玻璃上30min450oC多孔结构的纳多孔结构的纳米米TiO2电极电极TiO2板板浸入半胱胺酸浸入半胱胺酸溶液中溶液中趁热放入CdSe甲苯溶液中70oC静

4、置1hTiO2薄膜的厚薄膜的厚度为度为10微米微米静置24h电解质电解质TiO2光光阳极阳极对电极对电极密封剂密封剂QDSSC二二 实验实验热熔胶Pts2-/sx2-CdSeQDs敏化2.CdSe QDs敏化敏化TiO2电池的制备电池的制备为了对比，为了对比，DSSCsDSSCs采采用用N719N719染料敏化纳米染料敏化纳米TiOTiO2 2，电解质采用，电解质采用I I- -/I/I3 3- -甲基甲基 苯丙唑的苯丙唑的乙腈溶液。乙腈溶液。二二 实验实验3.光电化学测试光电化学测试光电流光电流- -电压曲线电压曲线暗电流暗电流电化学交流阻抗谱电化学交流阻抗谱( (频率频率0.01Hz0.0

5、1Hz1MHz,1MHz,外加偏压外加偏压- -0.70.7-0.3V,-0.3V,步长步长50mV,50mV,正弦扰幅正弦扰幅+-20mV)+-20mV)以上测试均在电化学工作站上进行。亮态下的电化以上测试均在电化学工作站上进行。亮态下的电化学测试均采用学测试均采用1000W1000W的氙灯为光源。的氙灯为光源。三三 结果与讨论结果与讨论1.1.光电流光电流- -电压特性曲线电压特性曲线原因原因：（1 1）QDSSCsQDSSCs的比表面积小；的比表面积小；（2 2）量子点在纳米）量子点在纳米TiOTiO2 2表面的表面的覆盖率较低覆盖率较低三三 结果与讨论结果与讨论2.2.电化学交流阻抗谱

6、电化学交流阻抗谱（A A）不同外加偏压条件）不同外加偏压条件QDSSCsQDSSCs和和DSSCsDSSCs暗态下的暗态下的EISEIS三三 结果与讨论结果与讨论（B B）QDSSCsQDSSCs和和DSSCsDSSCs的等效电路的等效电路C表示纳米表示纳米TiO2TiO2电极的化学电容，电极的化学电容， 为为TiO2TiO2电极的电子传输电阻，电极的电子传输电阻， 为为TiO2/TiO2/电解质界面的电解质界面的电荷转移电阻（或电子复合电阻），电荷转移电阻（或电子复合电阻）， 为由为由TCOTCO电极产生的串联电阻，电极产生的串联电阻， 为由为由TCOTCO电极电极/ /电电解质界面的电荷转

7、移电阻，解质界面的电荷转移电阻， 为为TCO/TCO/电解质的界面化学电容，电解质的界面化学电容， 为电解质对的扩散电阻，为电解质对的扩散电阻， 和和 分别为对电极界面的电荷转移电阻和化学电容分别为对电极界面的电荷转移电阻和化学电容tRctRSRTCORTCOCdZptRctC三三 结果与讨论结果与讨论A.A.膜电极化学电容和电子复合电阻膜电极化学电容和电子复合电阻（a a）膜电极化学电容）膜电极化学电容 膜电极的化学电容膜电极的化学电容C Cfilmsfilms由纳米多孔由纳米多孔TiO2TiO2薄膜化学电容薄膜化学电容C C 和和TCO/TCO/电解质的界面化学电容电解质的界面化学电容C

8、CTCO.TCO. 在高偏压下，在高偏压下，C Cfilmsfilms主要取决于主要取决于C ,C ,暗态下，暗态下，C C 与外加偏压与外加偏压VaVa的关系为：的关系为：当当0 1 0 1 时时, , 表明陷阱态成指数形式分布表明陷阱态成指数形式分布, , 当当 = 1 = 1 时时, , 说明载流子均分布在导带内说明载流子均分布在导带内; ; E Ecbcb、E EF0F0分别为纳米分别为纳米TiO2 TiO2 的导带边和外加偏压为的导带边和外加偏压为0 0 时的准费米能级时的准费米能级三三 结果与讨论结果与讨论暗态下暗态下C与外加偏压与外加偏压Va 的关系图的关系图对比对比QDSSCs

9、QDSSCs 与与DSSCsDSSCs 可知可知, , 前者的前者的C C较小且较小且C C曲线向曲线向低偏压方向平移约低偏压方向平移约0.3 V 0.3 V 左左右右. . 说明说明E EQDSSCsQDSSCs ( (E ED DSSCsSSCs0.3 0.3 eVeV), ), 正是这个原正是这个原因造成因造成QDSSCsQDSSCs 开路电压比开路电压比DSDSSCsSCs 低约低约0.3 V 0.3 V 左右左右. .？三三 结果与讨论结果与讨论（b b）膜电极电子复合电阻）膜电极电子复合电阻 膜电极的电子转移电阻由膜电极的电子转移电阻由TCO/电解质界面的电复合电阻电解质界面的电复

10、合电阻RTCO和和TiO2/电解质界面电子复合电阻电解质界面电子复合电阻Rct组成。组成。 通常在高偏压下通常在高偏压下, 膜电极的电子转移电阻主要取决于膜电极的电子转移电阻主要取决于Rct。Rct 与阴极外加偏压与阴极外加偏压Va 的关系式如下的关系式如下:其中其中R Rct0ct0为外加偏压为为外加偏压为0 0 时的电子复合电阻时的电子复合电阻, , 为电荷为电荷转移因子。转移因子。三三 结果与讨论结果与讨论电子转移电阻电子转移电阻Rct 与外加偏压与外加偏压Va (已扣除在对电极上的电压已扣除在对电极上的电压降降)的关系，如图的关系，如图4与与DSSCs 相比相比, QDSSCs 的电荷

11、转移电阻相对较小的电荷转移电阻相对较小,且向低偏且向低偏压方向位移压方向位移原因：原因：Rct0 正比于正比于exp(Ecb EF0), 也就是说与化学电容相也就是说与化学电容相似似, QDSSCs 的电荷转移电阻向低偏压方向位移的电荷转移电阻向低偏压方向位移位移的幅度比化学电容位移幅度小位移的幅度比化学电容位移幅度小, 原因：原因：纳米纳米TiO2 电极表面吸附半胱胺酸电极表面吸附半胱胺酸, 减缓了导带电子与减缓了导带电子与氧化态电解质的复合有关氧化态电解质的复合有关三三 结果与讨论结果与讨论B.B.电子寿命和电子扩散长度电子寿命和电子扩散长度a)a)电子寿命电子寿命电子寿命电子寿命与化学电

12、容与化学电容C、电荷转移电阻、电荷转移电阻Rct具有如下关系：具有如下关系： = CRct 外加偏压在外加偏压在0.70.3 V 0.70.3 V 之间之间, , DSSCsDSSCs 的电子寿命随着外加偏的电子寿命随着外加偏压绝对值的降低呈指数形式增大压绝对值的降低呈指数形式增大电子复合主要是纳米电子复合主要是纳米TiO2 TiO2 导带导带电子与氧化态电解质离子的复合电子与氧化态电解质离子的复合; ; QDSSCsQDSSCs 的电子寿命比的电子寿命比DSSCsDSSCs 的略高一些的略高一些, , 应该与半胱胺酸的应该与半胱胺酸的吸附抑制了电子复合有关吸附抑制了电子复合有关三三 结果与讨

13、论结果与讨论b)b)电子扩散长度电子扩散长度电子扩散长度电子扩散长度Ld 与电子传输电阻、电荷转移电阻的关与电子传输电阻、电荷转移电阻的关系：系： 其中其中L 为膜厚；图为膜厚；图5与与DSSCs 相比相比, QDSSCs 的电子扩散长度更大的电子扩散长度更大, 说明说明这时这时QDSSC 的界面电子复合比的界面电子复合比DSSCs小小, 可见目前可见目前采用采用CQD 方法制备的方法制备的QDSSCs 短路电流低短路电流低的主要的主要原因原因不是纳米不是纳米TiO2/电解质界面电子复合造成的电解质界面电子复合造成的, 而而是是光吸收效率低光吸收效率低三三 结果与讨论结果与讨论C.C.串联电阻

14、串联电阻染料敏化电池的总电阻染料敏化电池的总电阻R Rtotaltotal 为为: : R R totaltotal = = R R seriesseries + + R Rctct其中其中R Rseriesseries 是串联电阻是串联电阻, , 它由它由TCO TCO 电极电阻电极电阻R Rs s、铂电极、铂电极/ /电解电解质界面的复合电阻质界面的复合电阻R Rptpt、电子传输电阻、电子传输电阻R Rt t、电解质扩散电阻、电解质扩散电阻R Rd d 组成组成, , 即即 R R seriesseries =1/3 =1/3 R R s s + + R R ptpt + + R R t

15、 t + + R Rd d 三三 结果与讨论结果与讨论QDSSCsQDSSCs 与与DSSCsDSSCs 的的总电总电阻阻R Rtotaltotal( (未包含未包含R Rd d) )、 R Rseriesseries及及R Rptpt图图与与DSSCsDSSCs相比相比, , QDSSCsQDSSCs的串联电阻的串联电阻R Rseriesseries相对较大相对较大, , 这是造成电池填充因子低这是造成电池填充因子低的一个主要原因的一个主要原因. . 与与R Rs s、R Rt t 相比相比, , R Rptpt 对于串对于串联电阻具有主要贡献联电阻具有主要贡献, , 与与MMora-ora

16、-SerSer 等的分析结果一等的分析结果一致致. .三三 结果与讨论结果与讨论3.3.暗暗电电流曲流曲线线四四 结论结论 1 1）QDSSCsQDSSCs 中电解液电子费米能级与纳米中电解液电子费米能级与纳米TiO2 TiO2 导带边的能导带边的能量差比量差比DSSCsDSSCs 中的小约中的小约0.3 V, 0.3 V, 是是QDSSCsQDSSCs 开路电压比开路电压比DSSCsDSSCs 低约低约0.3 V 0.3 V 的主要原因的主要原因 2 2）铂电极）铂电极/ /电解质界面电荷转移电阻和电解质对扩散电阻电解质界面电荷转移电阻和电解质对扩散电阻相对较大相对较大, , 引起较大的串联电阻引起较大的串联电阻, , 是是QDSSCsQDSSCs 填充因子低的填充因子低的主要原因主要原因 3 3）QDSSCsQDSSCs 的暗态