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用于染料敏化太陽能電池的鈮、氟雙滲雜二?化欽微球

發布日期:2018-03-20 來源: 本網 查看次數: 1603 

核心提示:  高明琦12,徐友龍12,白楊12(1.西安交通大學電子陶瓷與器件教育部重點。從圖中可以看出:①所有的峰位隨著摻雜量增加都略微向低峰位方向偏移(如中的(101)峰),這說明生成的NFT隨著摻雜量的增

  高明琦12,徐友龍12,白楊12(1.西安交通大學電子陶瓷與器件教育部重點。從圖中可以看出:①所有的峰位隨著摻雜量增加都略微向低峰位方向偏移(如中的(101)峰),這說明生成的NFT隨著摻雜量的增加晶粒增大;②衍射峰為典型的銳鈦礦相特征峰,峰強度隨著摻雜的增加顯著增強,說明摻雜有利于Ti2銳鈦礦晶相的生成;③沒有摻雜的純了!2在掃描時還有極少的晶紅石相,如中a樣品的(110)峰即為晶紅石相的特征峰,但是摻雜之后晶紅石相特征峰消失,變成純的銳鈦礦相,說明鈮和氟的摻雜抑制了晶紅石相的生成;④摻雜之后會有些細小的峰出現或峰形更加尖銳,如38°附近的組三峰((103)(004)(112))、55.附近的雙峰((105)(211))以及62.附近的雙峰((213)(204))等,都是典型的銳鈦礦晶相特征峰,這說明摻雜之后晶型更加規則,能夠檢測出來的信號更完整。

  2.2形貌與成分分析摻雜之后生成的NFT形貌不同于傳統的Ti2小顆粒,是微米級的球狀。為NFT的SEM圖,從可以看到,微球表面有大量納米管呈“排狀”

  緊密堆積又彼此支撐,在連接處有少量納米顆粒或不完整的納米管,這些納米管和納米顆粒組成在一起形成了微球形貌。

  為球形NFT顆粒超聲分散后的納米管TEM圖,從中可以觀察到納米管和納米顆粒以及部分碎裂的納米管。這些納米管的直徑大多只有3040nm左右,粗細不太均勻,完整的長度大約為500nm,納米顆粒的粒徑則在50nm左右。從圖中推測,分解后產物中納米管的比例比顆粒高,與SEM圖中表面結構的表現相符。但是,米用同種方法制備的未摻雜的Ti2依然全都是納米顆粒,與P25類似,直徑只有20nm左右,并沒有納米管出現,也沒有出現微球結構。這說明,微球結構并不僅僅取決于水熱合成的溫度與時間的控制,摻雜才是主要因素,而且納米管的尺寸明顯大于純Ti2的顆粒尺寸,這與前文中XRD的測試結果一致,即NFT的晶粒尺寸確實大于TO的。

  球形NFT顆粒超聲分散后的納米管TEM圖對NFT粉末進行X射線光電子能譜(XPS)分析,其全譜如所示。從圖中對比標準數據可知,樣品中除了主要含有Ti、O和表面吸附的空氣中的C元素之外,還有Nb3d,Nb3s和F1s特征峰。這說明Nb和F確實摻雜進入了Ti2的晶格之內,而對其含量進行分析后發現,Nb和F的摩爾比接近1:5,與前文制備的反應方程的比例相符。

  水熱反應的時候Nb和F的摻雜從本質上改變了所生成的T!2的結構,變成了全新的納米管組成的微球,但是微球的形成機制和原理還有待于進―步研究。

  2.3電池的光電性能分析光電流的產生依賴于電子注入、電荷轉移和電荷復合過程。NFT的結晶性能好,有助于電子注入效率的提高。由于納米管的結晶規則,管壁內是單晶結構,因此電子在其內部的傳輸速率更高,而且管和管之間結構比較緊密,接觸面積大,界面間會形成良好接觸,其間電子傳輸的速率不會受太大影響,而未摻雜的常規顆粒了0自身尺寸很小,有大量的接觸界面,電子在其中傳輸的過程中因大量的界面存在而極大地減緩了傳輸速率,甚至在界面區域發生湮滅。所以NFT中的電子遷移速率高于未摻雜的了0中的,這可以有效地減小電池內阻,從而提高電池的開路電壓。

  對不同材料制作的光陽極進行染料脫吸附測試,發現NFT電極的染料吸附量比未摻雜的了0電極提高56%以上,說明NFT由納米管組成的球狀結構確實能夠擁有更大的表面積,因此用這種材料制備的光陽極能夠提供更多的表面積與染料接觸。提高了染料吸附量就可以在單位時間進行更多的光電轉換,有助于電池短路電流的提高。提出,當染料吸附量增加1.2倍時,單色光的IPCE增加了3%,而了0和P25這兩種顆粒制備的電極由于很多小顆粒壓縮得緊密,很多表面積很難利用,難以發揮其原有表面積的優勢。另一方面表面積增加,可使單位面積上的電子極化減弱,有利于提高電池的開路電壓。

  將3種不同材料制備的電池在標準模擬太陽光下進行測試,其曲線如所示。其中NFT樣品中摻雜Nb和F的摩爾分數分別為1%和5%.從圖中可以看出,NFT制備的電池具有更高的開路電壓(0.72V)和短路電流密度(8.得它具有高的光電轉換效率(3.6%),比不摻雜的T0制備的電池的轉換效率(2. 6%)提高了38%,比商用的P25制備的電池的轉換效率(2.9%)也要高本文還對電池的IPCE進行了測試,結果如所示。從圖中可以看出,在可見光范圍(400550nm),NFT制備的電池的轉化效率明顯高于T0和P25的,這可以歸因于NFT具有更高的電子注入效率和電子遷移速率,而且擁有更高的有效表面積來吸附染料。這也與上面-V測試的結果一致。

  電勢正向移動,降低其費米能級,使得電子注入的驅動電勢增加,有效提高電子注入效率,從而提高電池的短路電流密度,這與的結果一致,而IPCE的測試結果表明,在紫外波段,NFT的本征轉化效率發生紅移,也證明了其費米能級有所降低。

  3結論本文采用一步水熱合成法制備了Nb和F的雙摻雜Ti02微球,這些微球每一個都是由大量的納米管和少量納米顆粒組成的。用這樣的T!02微球制備的光陽極擁有更高的有效表面積,而且摻雜之后Ti02的結晶性明顯提高,有利于提高其中的電子遷移率。所以,這種材料制備的單層電池與未摻雜的T!02顆粒制備的同種電池相比,單色光子-電子轉化效率明顯提高,整體轉換效率提高了38%,表明摻雜對電池性能提高有明顯效果。

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