[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过在TiO2光阳极浆料中掺入碳纳米球（100–600 nm），随后在烧结过程中将其去除，从而在TiO2基染料敏化太阳能电池（DSSCs）中构建可控孔隙结构，提升了器件性能。形成的空腔增强了光散射与染料负载量，使效率提高33%（从5.72%增至7.59%），短路电流密度提升40%（从12.59 mA/cm²增至17.73 mA/cm²），对应碳纳米球掺杂量为3 wt.%。

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.

研究动机与目标

• 通过增强光捕获与染料负载，提升基于TiO2的染料敏化太阳能电池（DSSCs）的功率转换效率。
• 通过调控光阳极微观结构，解决光吸收不足与电子复合的问题。
• 探究通过牺牲性碳纳米球构建可控孔隙结构对光学与电子性能的优化作用。
• 确定能最大化效率且不增加复合的碳纳米球最佳浓度。

提出的方法

• 采用葡萄糖作为前驱体，通过水热法合成碳纳米球（100–600 nm）。
• 在乙醇中制备含0%、1%、2%、3%和4%重量分数碳纳米球的TiO2浆料。
• 利用刮刀法在FTO导电玻璃上制备TiO2光阳极，并在500°C下烧结，使碳纳米球燃烧生成孔隙。
• 将N719染料通过浸渍于0.4 mM染料溶液中20–24小时的方式沉积到光阳极上。
• 通过入射光子-电流转换效率（IPCE）、电化学阻抗谱（EIS）及染料脱附测量评估器件性能。
• 利用EIS数据提取化学电容（Cμ）与复合电阻（Rrec），分析电荷转移动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 碳纳米球的引入如何影响TiO2光阳极中的光散射与光程长度？
• RQ2 碳纳米球的最佳重量百分比是多少，可实现染料负载最大化并最小化复合？
• RQ3 通过去除碳纳米球形成的孔隙如何影响电子复合与开路电压（VOC）？
• RQ4 大尺寸与小尺寸空腔的存在在多大程度上提升了入射光子-电流转换效率（IPCE）与短路电流密度（JSC）？
• RQ5 所设计的孔隙结构是否改变了TiO2的态密度分布或导带边位置？

主要发现

• 在3 wt.%碳纳米球掺杂条件下，短路电流密度提升40%，由12.59 mA/cm²增至17.73 mA/cm²。
• 功率转换效率提升33%，达到7.59%，相较对照组（0 wt.%）的5.72%显著提高。
• 3 wt.%样品的IPCE光谱显示响应范围从400–600 nm拓宽，峰值效率从30%提升至60%。
• EIS分析显示，T3（3 wt.%）样品具有最高的复合电阻（Rrec），与之对应的开路电压最高。
• 染料脱附测量结果证实多孔光阳极中染料负载量增加，且在3 wt.%时达到峰值。
• 化学电容（Cμ）在所有样品中几乎保持不变，表明孔隙结构未引起TiO2导带边位置发生偏移。