氧化铝和二氧化铪ALD Niobium-Doped钛氧化物光电阳极层

文摘

Niobium-doped二氧化钛(TiO₂)纳米粒子用作色素增感太阳能电池的光电阳极(DSCs)。他们展示了光电流密度高,由于更高的电导率;然而,展出了一个低开路电压的逆反应photogenerated电子。原子层沉积是一种有用的技术来形成一个正形超薄层₂O₃高频振荡器,充当能量势垒抑制电子从到达氧化还原介质。这导致开路电压的增加,因此导致更高的性能。高频振荡器显示改善的light-to-current转换效率74%,高于21%的提高得到利用₂O₃层。

1。介绍

世界是在寻求替代可再生能源资源的迫切任务。因为他们的低成本的材料和制造的简单阐述,涂料太阳能电池(1- - - - - -5)被认为是作为一个有前途的候选人取代商业硅太阳能电池(6- - - - - -8]。氧化钛是一种非常有利的材料(9为工作电极(光电阳极)的DSCs。控制他们的形态特性、结构和电荷的动力传输载体的性能产生重大影响DSSCs。利用金属离子掺杂物TiO的电气性能有显著的影响₂。这种兴奋剂会导致重大变化的电导率,费米能级转移潜力,粒子聚合,电荷转移动力学,TiO的染料吸收特征₂(10]。Ko et al。11掺杂TiO)发现了显著的增强₂铝和钨。

然而,许多报告表明,性能优化的DSCs金属离子掺杂到TiO的水平₂主要涉及TiO的平带的调优₂。陆et al。12合成一个well-crystalline铌掺杂锐钛矿TiO (Nb)₂(注:TiO₂),研究了它对DSSCs的性能的影响。据透露,Nb掺杂有积极影响短路电流与平带的积极转变的潜力。氧化钛的掺杂金属离子可能提升电子空穴对的生产,然而,可能创造更多的捕获网站影响色素增感太阳能电池的性能。负责重组发生在工作电极之间的界面和染料/电解液界面,photogenerated电子在多孔电极往往重组与氧化染料或氧化物种在电解液中,从而减少了开路电压。阻碍电荷复合的一个有效方法是应用多孔电极/染料接口与薄绝缘金属氧化物层,形成一个能量势垒阻碍电荷复合的界面电荷传输。自从绝缘层阻碍电荷复合和电子注入,绝缘层的厚度应该优化,不影响电子注入通过光电阳极。所以,原子层沉积(ALD)是一种有效的技术与可控沉积超薄层厚度,在没有其他沉积技术可以实现所做的保形性,ALD高纵横结构(13]。

在这个工作铌掺杂氧化钛纳米粒子被用来制造光电阳极DSCs。提高电池的开路电压,原子层沉积₂O₃和高频振荡器是利用正形绝缘层形成抑制电荷复合。膜层的厚度进行优化来实现最佳的性能。

2。实验工作

无掺杂纳米颗粒TiO₂准备TiO的光电阳极膜是通过热液治疗₂索尔,正如前面报道。的Nb-doped TiO₂获得了cohydrolysis Ti和Nb的前体(如钛异丙醇盐和乙醇铌,resp)。在一个原子的比例95:5。前体溶液进行了水热生长在200°C 5 h。合成沉淀用水洗,乙醇好几次,干在90°C,和地面发现粉使用。

通常,0.1 g(注:TiO₂避免湿磨,使用0.3克15 wt。%水聚乙二醇(PEG20T)砂浆5分钟,直到均匀粘稠膏成立。Nb: TiO₂粘贴被放置在FTO玻璃基板使用医生滚轴溜冰技术组成μ米厚膜。获得电影干30分钟在100°C,然后在空气中加热到450°C 60分钟。

3所示。ALD的氧化铝和二氧化铪

Nb: TiO₂电影然后被原子层沉积(牛津蛋白石系统)₂O₃和高频振荡器0、5、10、15和20个周期,分别。沉积温度保持在25°C的前体和氩气作为载气提供有效的前兆。衬底温度保持在180°C的退化过程。沉积速率为0.8和0.5的每循环₂O₃分别和高频振荡器。退化过程,涂膜后再退火在450°C。

4所示。电池装配和表征

所有的电影都是敏化通过沉浸在一个0.5毫米ruthenium-based N719染料溶液24 h,然后用乙醇清洗和干燥空气在rt Pt-coated硅衬底作为对电极,和一个iodide-based解决方案,包括0.6四丁铵碘,0.1锂碘,碘0.1,4 - 0.5米叔-butylpyridine在乙腈作为电解液。每个太阳能电池光伏性能的特征使用模拟是1.5阳光照明的输出功率100 mW /厘米²。紫外线太阳模拟器(16 s模型,太阳能灯有限公司,费城,宾夕法尼亚州,美国)和一个200 W氙灯电源(模型XPS 200年,太阳能灯有限公司,费城,宾夕法尼亚州,美国)作为光源,和半导体参数分析仪(4155、惠普、日本)被用来测量电流和电压。的测量重复了三次,平均结果报告。电化学阻抗谱(EIS)是1287年通过Solartron耦合Solartron 1260联邦铁路局/阻抗分析仪在DSCs电子和离子的过程进行调查。

光电阳极表面的形态特点是通过扫描电子显微镜(SEM、JEOL地产- 7000)。

测量吸附N3染料数量的电影,染料色素增感的电影被浸泡眠在溶液中含有0.1 M氢氧化钠水和酒精(1:1,v / v)。一个ultraviolet-visible-near红外分光光度计(UV-VIS-NIR,珀金埃尔默λ900)是用来衡量desorbed-dye染料浓度的解决方案。

5。结果和讨论

的曲线和性能特征值(,,,基于Nb-TiO DSCs)₂光电阳极氧化铝和二氧化铪的原子沉积前后数据层进行描述1(一)和1 (b)和总结在表1。niobium-doped钛氧化物光电阳极显示光电流密度相对较高(14.25 mA /厘米²)对应于相对较高的染料加载(摩尔/厘米²),但较低的开路电压(547 mV)导致2.93%的效率。开路电压较低结果解释电荷复合率高,photogenerated电子在多孔电极往往重组与氧化染料或氧化物种在电解液中,从而减少了开路电压(14]。原子层沉积氧化铝导致增加后的开路电压高达623 mV 20周期和增加光电流密度18.53 mA /厘米²经过15周期。光电流的增加,因此效率,改进的连接可能出现的纳米粒子由光电阳极,没有可察觉的变化可以观察染料加载,但提出了一个减少载体重组。氧化铝层显示一个更有效的抑制电荷复合的层的厚度增加,导致开路电压的增加14%,整体效率高达21%。超出15周期制程的氧化铝,成立光电流密度下降,这是由于电子传递的低效率由于太多的涂料层的厚度。

另一方面,使用氧化铪的钝化层Nb-doped二氧化钛纳米粒子表现出更多的增强而利用氧化铝层,如图1 (b)。从547 mV的开路电压逐渐增加到675 mV的数量增加ALD二氧化铪层15周期。光电流密度增加了16.43 mA /厘米²5周期后紧接着最小下降10个周期的样本,进一步下降到14.4 mA /厘米²15个周期的样本。这种行为是与染料加载如表所示1。所以,包含10个周期的超薄二氧化铪层,整体效率的最佳性能达到了5.12%,这是一个提高74%。这种增强的性能改善填充因子来解释。这是归因于更好的电子传递通过接口,这意味着二氧化铪的扩散阶段通过光电阳极网络是有效的,可以证明是一个正形缓冲涂层抑制漏电流。氧化铝和二氧化铪层有更高的传导带边缘从niobium-doped氧化钛,作为阻挡层的电子(15]。

6。结构特性

XRD模式为氧化铝层没有任何痕迹或二氧化铪,预期的XRD不敏感这超薄层。很可能我们有无定形ALD涂料,或非常贫穷的结晶度。niobium-doped氧化钛的表面形态如图2(一个)使用不同的放大。这部电影表现出介孔结构,导致更好的染料加载。数据2 (b)和2 (c)展出的表面形态niobium-doped氧化钛层经过10周期的ALD氧化铝、二氧化铪。ALD层氧化铝和二氧化铪形成同质保形表面覆盖注:TiO₂纳米粒子和在介孔结构提高纳米晶体纳米粒子间的聚结使他们接近,这可能引入良好的电子传递通过光电阳极层路径。此外,多孔结构的层仍保留如图2 (c),保留高染料装载能力。所以ALD二氧化铪改进的连接出现了纳米粒子与增强对泄漏电流阻挡层,同时保留的高染料加载光电阳极如表所示1。层表面的组成,由EDX,展出川崎汽船的铝元素的存在,铌、钛称为L-spectrum(见插图图2 (b))。然而,很难认为掺杂铝或铪预计将发生。SEM照片显示更有可能覆盖的影响。

7所示。电化学阻抗谱(EIS)

数据3(一个)和3 (b)表现出典型的电化学阻抗谱(EIS)的奈奎斯特图组装DSCs ALD氧化铝和二氧化铪光电阳极,分别。两个半圆图形出现,最小的一个高频范围代表对电极的电化学反应和最大的一个代表了电荷转移电阻电解液/染料/金属氧化物界面。midfrequency半圆的直径ALD氧化铝、二氧化铪光电阳极比裸的,这意味着增加的电荷转移电阻由氧化铝和二氧化铪层沉积在纳米颗粒的表面。增加的电荷转移电阻增加的周期,在不同阻挡层的厚度可能是这种行为的主要因素。峰值的半圆midfrequency范围在奈奎斯特图与重组过程的反应速率常数。更高频率的改变意味着更长的一生,DSCs导致更高的性能。

8。结论

Niobium-doped氧化钛nanoparticulate光电阳极在DSC光电流密度高因其更高的电导率;然而,开路电压较低表现出由于复合率较高。沉淀形超薄的原子层₂O₃从到达,高频振荡器可以抑制电子氧化还原介质,导致增加的开路电压,因此导致更高的性能。高频振荡器显示改善的light-to-current转换效率74%,高于21%的提高得到利用₂O₃层。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突披露。潜在的冲突并不存在。

确认

n . Al Dahoudi愿意承认委员会国际交流的学者(属地)富布赖特奖学金。这项工作是由美国支持部分。能源部、办公基本能源科学、材料科学、分工下奖。DE-FG02-07ER46467(问:张),美国国家科学基金会(DMR DMR 1035196——0605159,和cmmi - 1030048),和皇室研究基金(RRF)办公室的华盛顿大学的研究。

引用

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