文摘

复合电影由无定形碳、碳纳米管和铁纳米粒子在大气环境由乙醇催化燃烧。和复合薄膜具有良好的electrocatalytic活动和高导电性由于其特殊的结构。复合色素增感飙升电影基于细胞的效率(DSSCs)是基于封闭的Pt。最重要的是,DSSC采用复合电影提出了一个基于FF高于Pt的太阳能电池。此外,它是一个简单的方法来大规模生产的复合膜对电极(CE),预计将减少制造DSSCs的成本。

1。介绍

自1991年奥雷根的报告和Gratzel [1),DSSCs被认为是有前途的设备对能源的应用程序,因为他们的低成本优势,易于制造、和photo-to-current转换效率相对较高2]。此外,太阳能的转换效率与钌DSSCs敏化剂和Pt反电极达到13.1%3]。

对电极用于电子从外部电路转移到三碘化和碘的氧化还原电解质。Pt已被广泛用作DSSCs反电极。三碘化虽然Pt展览优秀的催化活性降低和良好的导电性,它是非常昂贵的。因此,一些纳米碳材料,如硬碳小球(4),碳纳米管(5),介孔碳6),并下令多通道多孔碳(7作为对电极),研究了广泛取代FTO / Pt电极。然而,复合薄膜的应用程序由无定形碳、碳纳米管和铁纳米颗粒作为对电极DSSCs尚未报道。在此,复合膜在大气环境中由乙醇催化燃烧。和复合膜作为计数器DSSCs电极表现出良好的光电性能。

2。实验

2.1。复合膜CEs的制造

复合电极的制备是在乙醇催化燃烧进行(ECC)的过程。少量噻吩加入100毫升无水酒精,然后添加适量二茂铁的解决方案,最后注入酒精灯。在这个实验中,fto被雇佣为底物固定在小电梯然后放在火焰。fto以及酒精灯芯之间的距离是6厘米。几秒钟后,在fto获得的复合膜。

2.2。组装DSSCs

清洁FTO TiCl治疗40毫米4水溶液在70°C 30分钟。然后TiO2涂在FTO基质通过丝网印刷技术,其次是烧结在450°C 30分钟。TiO的厚度2电影是关于6.6μm是由《纽约时报》的丝网印刷技术。TiO的2电影在450°C退火30分钟,然后被浸泡到TiCl4水溶液的浓度在70°C 0.2 30分钟。退火后的30分钟在450°C, TiO2电影是冷却到80°C,然后沉浸到一个解决方案的染料cis-di (thiocyanato) n n′双(2,2′-bipyridyl-4-carboxylic acid-4′四丁铵羧酸盐)钌(II)在一夜之间(n - 719)。准备FTO / Pt电极,Pt催化剂沉积在FTO玻璃涂层一滴H2竞购6解决方案与重复热处理在450°C的30分钟。电解液是LiI(0.5米),我2(0.05米),1-propy 1 - 2, 3-dimethylimidazolium碘(DMP, 0.3),和4-ter butylpyridine (4-TPB, 0.3米)在乙腈溶液中引入细胞阳极和反电极之间的差距。细胞的有效面积为0.25厘米2。

2.3。表征和度量

复合薄膜的形态特征使用扫描电子显微镜(SEM,蔡司超55)和透射电子显微镜(TEM, JEOL 2100)。好电影的构成分析了能量色散x射线谱(EDX,蔡司超55),拉曼光谱(英国2000)和热重分析(TGA, SDIA8H)。

电化学阻抗谱(EIS)测量记录使用电化学工作站与偏见−0.6 V的直流电压在0.1赫兹到100赫兹的频率范围。事件photo-to-current转换效率(IPCE)测量实验室IPCE通过使用一个安装在等离子体物理研究所。photocurrent-voltage(电流-电压)曲线测定的电化学工作站在氙气灯的照明。辐照度是100 mW /厘米2这是衡量一个辐射计(FZ-A,北京师范大学光电仪器厂)。

3所示。结果与讨论

数据1和2显示了典型的复合薄膜的SEM和TEM图像,分别。SEM表明,复合膜是由纳米颗粒和纳米管。TEM,我们可以清楚地看到碳纳米管的结构,金属纳米粒子和无定形碳。此外,我们可以看到金属纳米颗粒包裹在纳米管的表面和无定形碳。

(一)
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(b)
(b)
图1
电影的典型的扫描电镜图像FTO生长;(a)和(b)是低放大图像和高放大图像的复合膜,分别。
(一)
(一)
(b)
(b)
图2
电影的典型TEM图像FTO生长;(a)和(b)是低放大图像和高放大图像的复合膜,分别。

进一步分析,我们复合薄膜的拉曼光谱表征。图3表明G-band(1586.4厘米−1)远高于其d带(1339厘米−1),这表明,复合薄膜石墨化程度高。此外,有一些山峰在0到400厘米−1名叫径向呼吸振动模式(元)表明,复合薄膜含有单壁碳纳米管。图3 (b)是遏制的放大图吗3(一个)。从图3 (b),我们可以看到山峰的频率是209厘米−1,222厘米−1,230厘米−1,268厘米−1对应于单壁碳纳米管的直径在1.12 nm, 1.05 nm, 1.02 nm,分别和0.87海里。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
(一)复合薄膜的拉曼光谱图1;(b)在(a)是遏制的扩大。

图4显示了EDX光谱的复合薄膜。从EDX光谱,我们可以看到,样品由C、O,铁和少量的Sn。从FTO Sn的存在可能。


图4
复合膜对应的谱谱图1。

为了确定碳纳米管的含量,铁纳米颗粒和无定形碳,我们分析了复合电影通过TGA(图5)。TGA雕刻下降缓慢从20°C到191.7°C对应减少水的复合薄膜。在这个过程中,样品的重量损失的5%。当温度超过254.68°C, TGA雕刻的斜率增加,这表明非晶碳减少。当温度从330°C到509.2°C, TGA雕刻继续增加的斜率和样品的减肥是加快;质量损失约为34.4%。当温度超过509.2°C, TGA雕刻的斜率降低到758.3°C,对应于减少碳纳米管。在这个过程中,质量损失约为5.5%。其余的样品是铁和氧化铁约54.16%。


图5
TGA曲线的复合膜在20°C到800°C。

IPCE DSSCs特点与复合材料电影反电极和Pt如图6。的最大IPCE值在540 nm DSSCs复合膜对电极大约是72%,与Pt DSSC的是76.3%。吸附的光谱DSSCs复合膜对电极低于DSSC的Pt范围380 - 650 nm和吸附的光谱变化几乎一致长波长650纳米以上。一般来说,IPCE DSSCs的复合膜对电极与DSSC的FTO / Pt反电极。


图6
IPCE DSSCs特点与复合膜对电极(a)和(b)。

调查和复合膜的电化学活性,电化学阻抗谱(EIS)测量。图7显示DSSCs的等效电路, 电阻系列电阻主要相关FTO玻璃,CPE1和CPE2双电层电容,分别 的电荷转移电阻对电极和电解液, 是复合阳极电极和电解质的电阻,和Ws的华宝阻抗电解液。如图7, 可以通过高频率的阻抗决定在100 kHz, 和 来自高和中等频率范围的半圆形,分别通过拟合的情节Z-VIEW软件。电阻的元素 , 、CPE1 Ws值表进行了总结1。显然,复合薄膜的电荷转移电阻远低于Pt。这意味着复合电影有一个很好的electrocatalytic活动和高导电率可能归因于复合薄膜的有效接触面积大、电解质和高导电性的碳纳米管。复合电极表现出较大的CPE1比Pt值,这意味着复合电极有电子寿命更长8]。然而,复合电极的Ws值较大可能是由于厚层复合电极,与Ws相比在一层薄薄的光滑FTO / Pt电极[9,10]。

表1
, 和CPE1值的DSSCs复合电影和Pt。

图7
EIS DSSCs光谱的复合膜对电极和Pt电极。这些细胞被测量的频率范围100 mHz到100千赫。

图8显示photocurrent-voltage DSSCs特点使用复合电极和Pt电极作为对电极和相应的参数表中列出2。

表2
这些细胞在图的电流-电压参数8。

图8
电流-电压特性曲线的DSSCs复合电影和Pt,分别。

我们可以看到在桌子上2作为参考,与一个典型的FTO DSSCs / Pt反电极有一个开路电压( )的0.8072 V,短路电流密度( 马)的12.91厘米−20.5316、填充因子(FF),转换效率( )的5.54%。复合电极作为对电极时, , 、FF和 DSSC可以高达0.7940 V, 10.70, 0.5603和4.76%,分别。与Pt电极相比, , , 较低,但FF较大,应归因于有效合同面积的电解液和复合膜对电极。

4所示。结论

总之,通过乙醇催化燃烧的复合膜在大气环境中,直接使用作为DSSCs柜台电极。这是证明的光伏性能DSSCs与复合膜对电极是优秀的,比DSSCs FTO / Pt反电极,这归因于他们好electrocatalytic活动和高导电性。详细了解电子转移和电解质扩散之间的关系需要进一步研究。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作由北京自然科学基金重点项目(3131001),中国自然科学基金重点项目(91233201和91233201),北京教育委员会科技计划重点项目(KZ201211232040),大多数中国的国家863计划(2011 aa050527),北京分子科学国家实验室(BNLMS2012-21),国家重点实验室新陶瓷和清华大学(KF1210)精深加工,为可再生能源与天然气水合物重点实验室中国科学院(y207ka1001),北京重点实验室传感器BISTU (KF20131077208)和北京重点实验室光电的测量BISTU (GDKF2013005)。