[論文レビュー] Performance enhancement of TiO2-based dye-sensitized solar cells by carbon nanospheres in photoanode

Elham Bayatloo, Esmaiel Saievar-Iranizad|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2013

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、TiO2ベースの染料感受性太陽電池（DSSCs）の効率を向上させるために、TiO2光アンソードペーストに炭素ナノスフィア（100–600 nm）を添加し、焼成時に除去することで制御された多孔性を形成した。得られた空洞は光の散乱と染料吸着を向上させ、33%（5.72%から7.59%へ）の効率向上と、短絡電流密度の40%増加（12.59から17.73 mA/cm²）を達成した。これは3 wt.%の炭素ナノスフィア添加時である。

ABSTRACT

The conversion efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSCs) is optimized by modifying the optical design and improving absorbance within the cell. These objectives are obtained by creating different sized cavities in TiO2 photoanode. For this purpose, carbon nanospheres with diameters 100-600 nm are synthesized by hydrothermal method. A paste of TiO2 is mixed with various amounts of carbon nanospheres. During TiO2 photoanode sintering processes at 500C temperature, the carbon nanospheres are removed. This leads to random creation of cavities in the DSSCs photoanode. These cavities enhance light scattering and porosity which improve light absorbance by dye N719 and provide a larger surface area for dye loading. These consequences enhance performance of DSSCs. By mixing 3% Wt. carbon nanospheres in the TiO2 pastes, we were able to increase the short circuit current density and efficiency by 40% (from 12.59 to 17.73 mA/cm2) and 33% (from 5.72% to 7.59%), respectively.

研究の動機と目的

• 光吸収と染料吸着の向上により、TiO2ベースの染料感受性太陽電池（DSSCs）の発電変換効率を向上させること。
• 光吸収の制限と電子再結合の問題を、光アンソードの微細構造を設計することで解決すること。
• 一時的材料としての炭素ナノスフィアを用いた制御された多孔性が、光学的および電子的特性を最適化する役割を果たすことを調査すること。
• 再結合の増加を防ぎつつ効率を最大化する最適な炭素ナノスフィア濃度を特定すること。

提案手法

• グルコースを前駆体として用い、水熱法により炭素ナノスフィア（100–600 nm）を合成した。
• エタノール中に0%、1%、2%、3%、4%（重量比）の炭素ナノスフィアを含むTiO2ペーストを調製した。
• ドクターブレード法を用いてFTO埋め込みTiO2光アンソードを形成し、500°Cで焼成した。この段階で炭素ナノスフィアが燃焼され、多孔構造が形成された。
• 20–24時間、0.4 mMの染料溶液に浸漬することで、N719染料を光アンソードに付着させた。
• 性能を評価するために、インシデント光子対電流効率（IPCE）、電化学インピーダンス分光法（EIS）、染料脱吸測定を実施した。
• EISデータを用いて、化学的容量（Cμ）および再結合抵抗（Rrec）を抽出し、電荷移動ダイナミクスを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭素ナノスフィアの添加が、TiO2光アンソード内の光の散乱および光路長に与える影響は何か？
• RQ2 染料吸着を最大化し再結合を最小限に抑えるために最適な炭素ナノスフィアの重量比は何か？
• RQ3 炭素ナノスフィアの除去によって生じる多孔性が、電子再結合およびオープン・クランプ電圧（VOC）に与える影響は何か？
• RQ4 大および小の空洞が、インシデント光子対電流変換効率（IPCE）および短絡電流密度（JSC）にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ5 設計された多孔性が、TiO2の状態密度や導帯端位置に影響を及えるか？

主な発見

• 3 wt.%の炭素ナノスフィア添加時、短絡電流密度は40%増加し、12.59 mA/cm²から17.73 mA/cm²に上昇した。
• 発電変換効率は33%向上し、対照群（0 wt.%）の5.72%から7.59%に達した。
• 3 wt.%試料のIPCEスペクトルは、400–600 nmの応答が拡張され、ピーク効率が30%から60%に上昇した。
• EIS分析により、T3（3 wt.%）試料が最高の再結合抵抗（Rrec）を示し、これが最高のオープン・クランプ電圧と相関していた。
• 染料脱吸測定により、多孔性光アンソードでは染料吸着量が増加し、3 wt.%でピークに達した。
• 化学的容量（Cμ）は全試料でほぼ一定であり、多孔性によってTiO2の導帯端位置にずれが生じていないことが示された。