文摘

利用纳米结构石墨烯薄膜色素增感太阳能电池的电子转移层(DSSCs)。纳米结构的影响石墨烯薄膜在DSSC结构检查。纳米结构的石墨烯薄膜提供了一个很好的电子转移渠道从TiO photogenerated电子2氧化铟锡(ITO)玻璃。明显改善短路电流密度DSSCs观察通过使用石墨烯的电子传输层修改光电极。石墨烯的电子传输层减少了有效的反应之间的接口ITO透明导电薄膜在DSSC和电解质。

1。介绍

涂料太阳能电池(DSSCs),也称为Gratzel电池,是特别感兴趣的领域的太阳能由于其低成本和简单的制造(1- - - - - -5]。DSSCs有一个由两个导电基板的基本结构,吸收层宽禁带的半导体材料,染料分子和氧化还原电解质。

DSSCs的基本工作原理是电子从光激的染料注入半导体的导电带在照明;与此同时,电解液减少了氧化染料和传输对电极的正电荷。然而,的一个主要问题阻碍DSSCs的快速商业化是其较低的转换效率比传统pn结太阳能电池(6]。这可能归因于贫困电荷分离DSSC结构。因此,电荷转移的结构,如Au纳米颗粒和量子点,一直受雇于DSSC改善设备性能通过光电极的电荷分离(7- - - - - -10]。石墨烯是一种潜在的材料对于许多应用程序由于其电子迁移率高、杰出的光学特性、热、化学和机械稳定性(11- - - - - -15]。因此,本研究调查了影响石墨烯层作为电子传输层DSSC结构由磁控溅射法沉积;特别是,它检查的性能与石墨烯DSSCs电子传输层。

2。实验

60 nm厚的石墨烯层气急败坏的在氧化铟锡(ITO)导电玻璃基板通过射频磁控溅射石墨靶作为电子传输层改善DSSC结构中的电子转移。接下来,1 g TiO的解决方案组成2纳米晶体粉末与直径~ 25 nm, 1毫升的特里同x - 100,醋酸,和去离子水混合胶体溶液,胶体的解决方案被涂上均匀到石墨烯电子转移层厚膜。电影在450°C退火10分钟。此后,石墨烯层的光电极是沉浸在一个3×10−4M N719染料溶液吸附(布鲁里溃疡4N)2——[俄文(dcbpyH)2(nc)2]复杂)在乙醇为24小时,在烧结前30分钟在450°C,增加其锐钛矿的含量。电解液是由碘化0.05米和0.5米的碘化锂有或没有0.5米4-tert-butylpyridine碳酸丙烯酯(真沸点)。然后,100 nm厚一层铂是气急败坏的ITO衬底上作为对电极。细胞被放置密封制作电影(SX1170-60 SOLARONIX)在两个电极之间,只留下两个via-holes注入电解液。密封过程进行了热板在100°C 3分钟。然后,电解液注入通过via-holes两个电极之间的空间。最后,via-holes密封使用环氧树脂和低蒸汽传输速度。图1示意图描述了完整的结构。图1显示了完成结构的横截面。当前density-voltage 特点是使用吉时利2420可编程源码计测量的1000 W氙灯照射。最后,样品的表面辐照功率密度校准在100 mW /厘米2。


图1
完成结构的横截面示意图。

3所示。结果与讨论

图2显示TiO的吸收2DSSCs有或没有石墨烯电子转移层。吸收的DSSC 60 nm厚的石墨烯电子传输层吸收强度明显高于100 nm厚的DSSC石墨烯电子传输层和没有石墨烯电子传输层在可见光范围内,尤其是在310 - 400纳米的范围。这意味着石墨烯电子传输层有一个吸收系数增加。因此,石墨烯的电子传输层也作为吸收层来提高太阳能电池的吸收。


图2
的吸光度光谱DSSCs没有石墨烯电子转移层。

图3显示了 DSSCs的特性。细胞性能测量是1.5下与太阳能照明强度100 mW /厘米2在25°C。的细胞有一个活跃的区域3×3毫米2抗反射涂层。测量电池参数,开路电压 ,短路电流 填充因子 和能量转换效率( )如表所示1。如图3,TiO2DSSCs与石墨烯电子转移层表现出以下静态参数: 0.5 V和 17.5 mA /厘米2。填充因子 可以估计(16] 在哪里 最大输出电流密度和吗 最大输出电压。因此,的价值 结果等于0.456。同样地,能量转换效率 可以计算(16] 与 随着入射功率和 结果为3.98%,分别。改善可以归因于公司的石墨烯电子传输层。图4显示了能级图和TiO光电流产生的机制2DSSCs与石墨烯层。石墨烯层的功函数大约是4.5 eV (17,18]。石墨烯具有功函数类似于ITO电极(4.8 eV)。石墨烯层并不妨碍注入电子的流动到ITO电极因为ITO电极的功函数超过(19- - - - - -21]。CB和VB导带和价带,分别。LUMO和人类是最低未占据的分子轨道和最高占据分子轨道,分别。因此,简单的操作过程如下。由入射光染料N719很兴奋,电子从人类LUMO。电子注入到石墨烯通过TiO电子传输层2光电极。电子转移到石墨烯电子传输层收集在接触产生光电流。因此,插入石墨烯层收集电子和充当运输车的有效电荷分离和快速运输photogenerated电子。数据显示2和3DSSCs的增强性能,石墨烯是归因于电子传递效率和增加光吸收在可见光范围内。

表1
TiO的参数2DSSCs有或没有石墨烯电子传输层。

图3
曲线的DSSCs没有照明下的石墨烯电子转移层。

图4
能级图和光电流机理生成的DSSCs石墨烯电子转移层。

4所示。结论

DSSCs用石墨烯电子传输层的铟锡氧化物玻璃衬底上组装了射频磁控溅射。这项工作探讨了改进与DSSCs引入石墨烯层。DSSCs增强性能的石墨烯可能归因于电子传递效率和增加光吸收在可见光范围内,尤其是在310 - 400纳米的范围。因此,短路电流密度和太阳能转换成电能的效率增加从6.9 mA /厘米2和1.45%至17.5 mA /厘米2和3.98%,分别在模拟阳光充足的照明。公司的石墨烯电子传输层、设备效率可以增加了超过170%。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

本文提供的财政支持美国国家科学委员会号合同下的中华民国。NSC - 027 - 021 - 102 - 2622 e cc3。