光子晶體與納米Au耦合效應及其對染料電池改性的研究.pdf

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

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

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

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

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

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

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