文摘

PbS:和cd量子点(量子点)按顺序组装到纳米晶体TiO2电影准备PbS: / CdS多敏感光电极对QD敏化太阳能电池(QDSCs)。PbS的结果显示:在量子点/ cd表现出显著影响光QDSC的收获和性能。级联结构的电极,能级PbS和TiO之间的重组2形成一个逐步带边沿水平结构有利于电子注入TiO2。2.3%的能量转换效率是实现掺杂电极,阳光下的照明(AM1.5 100兆瓦厘米2)。除此之外,一个了不起的短路电流密度(马·23厘米−2结果PbS)是实现:/ CdS量子点敏化太阳能电池,及相关机制进行了探讨。

1。介绍

当前的挑战之一高性能敏化太阳能电池是有限的光吸收范围从可见到近红外(NIR)地区太阳光谱(1]。一般来说,染料分子只能吸收光光子在一个或多或少的宽带对应分子转换;因此染料敏化太阳能电池的吸收区域(DSCs)是有限的2]。另一方面,半导体材料可以吸收光子能量高于其带隙, 。量子点敏化太阳能电池(QDSCs)正受到越来越多的关注,因为他们展示潜力的新一代太阳能电池的发展与高光电流[3- - - - - -5]。

最近,各种量子点(量子点),如cd、CdSe, PbS,硒化铅,并输入,一直试图制造QDSCs [6- - - - - -10]。PbS ( = 0.41 eV) (11),具体地说,已经吸引了越来越浓的兴趣增敏剂实现优越的光电流太阳能电池。周等人最近的工作表明光电流密度高( ,近20 mA·厘米−2在PbS / cd多敏感太阳能电池(12]。然而,TiO的相比2PbS的传导带(CB)位于较低的能量(13]。这种情况不利于电子传输TiO PbS2。因此,优化结构的光电阳极是高度要求改善PbS的电子注入QDSCs [14]。

高性能深红色和近红外发射器急需发展理想的探针在活的有机体内诊断和光学设备应用程序(15- - - - - -17]。合成的量子点掺杂半导体纳米晶体(18- - - - - -20.)最近成为一个活跃的主题领域的纳米材料由于其独特的光学、电子和物理性质(21]。各种优势与旋光通过掺杂过渡金属离子(如,铜、锰、和Mg) (22,23因为量子点的电子和光学特性可以有效地改善。此外,半导体纳米晶体的物理性质也可以调整不同类型和掺杂物浓度(24]。掺杂剂创建QD midgap地区的电子态,从而改变电荷分离和复合动力学。目前,其他努力设计In-doped奈米,Mn-doped奈米,和量子点In-doped-InP带来了一个光明的角度为开发高效和color-tunable发射器在红色和近红外光谱窗口(19,25,26]。

在这项工作中,我们制造的光电阳极PbS:在量子点和cd沉积连续离子层吸附和反应(SILAR) [27]。改善QDSC性能已被观察到。光电流密度马·23厘米−2取得了PbS:在半导体光电阳极。电源转换效率2.3%,主要是由于极高 。此外,许多实验已经进行好演示材料结构和太阳能电池的性能。

2。实验

2.1。PbS的制造:/ CdS电极

制备方法是基于我们之前研究Cu-doped PbS (28]。在一个典型的实验,TiO2丝网印刷电极制备的平均25 nm TiO的大小2粘贴到fluorine-doped氧化锡(FTO)玻璃(厚度:2.2 mm,皮尔金顿,14Ω/平方)。好了电极在450°C退火30分钟。相应的浓度(1:1,1:5,1:10日和1:20)包括3混合了Pb(没有3)2(0.1米)的乙醇和去离子水(1:1)混合溶液作为阳离子来源,分别。Na2(0.1米)在甲醇用作离子源。被用来使TiO的SILAR方法2量子点纳米粒子与PbS:如图1。首先,TiO21分钟电极浸泡在阳离子来源,其次是浸在离子源为1分钟。每次浸渍循环后,电极与相应的溶剂清洗和干燥。在这一过程中,3 +离子在PbS薄膜实现。为了防止PbS:由聚硫电极的腐蚀溶液中电解质(29日沉积在TiO)、cd层2通过使用Cd(没有3)2(0.1米)的乙醇水溶液和Na2(0.1米)甲醇的解决方案(30.]。


图1
沉积过程的量子点In-doped-PbS介孔TiO2纳米结构使用连续离子层吸附和反应(SILAR)方法。

2.2。制备QDSCs

所有的工作电极和Pt-coated反电极使用60终于组装μ米厚的密封材料(sx - 1170 - 60, Solaronix SA)。甲醇和去离子水混合溶液(1:1)Na2(0.5米),年代(2米),和氯化钾(0.2米)作为电解液(31日]。太阳能电池性能评估在一个阳光照明。

3所示。结果与讨论

图2(一个)显示光TiO的扫描电子显微摄影(SEM)2电极,而图2 (b)显示TiO的扫描电镜图像2PbS:电极沉积。与裸TiO相比2电影,QD敏化TiO的维度2纳米粒子在同一时间略有增加,孔隙度减少。在Pb,和S的EDS频谱峰值明显观察到电极,如插图所示图2 (b)。此外,图2 (c)表明TiO2电影被PbS:沉积厚度为10μm。结果证实,PbS:量子点在成功组装TiO的表面上2电影通过沉积过程。

(一)
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(c)
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图2
扫描电镜图像的顶视图纳米晶体TiO2电影(a)和TiO2沉积在PbS:电影(b);TiO的横截面视图2沉积在PbS:电影(c);部分(b)中的插图显示相应的EDS光谱。

图3(一个)显示了一个高分辨率透射电子显微镜(HRTEM) TiO的形象2/ PbS:在(Pb: = 10: 1)电极,这表明TiO的表面2量子点粒子被涂上(灰色点)。HRTEM TiO的形象2在电极/ PbS:如图3 (b)证明细微晶与各种TiO取向和晶格间距2微晶。根据TiO的(101)面2(JCPDS 21 - 1272),晶体的晶格间距测量飞机是0.356海里。的基础上谨慎JCPD晶格参数的测量和比较,晶格TiO的微晶沉积2是归因于PbS的(220)面,没有观察独立阶段。这些结果表明,PbS:纳米晶体的表面多孔TiO吸收2;因此TiO2/ PbS:级联结构。

(一)
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(b)
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图3
(a)和(b)是低放大率HRTEM PbS的图像:在电影。部分(b)中的插图显示相应的高倍率HRTEM形象。

TiO的粉末x射线衍射(XRD)2量子点敏化电极与PbS:在(Pb: = 10: 1)执行。图4显示了XRD TiO的模式2/ PbS和TiO2/ PbS:在电影在室温(RT)和200°C。SILAR PbS薄膜沉积的典型的衍射峰位于32.3°,48.1°,和62.9°,对应于(111),(220)和(222)水晶飞机PbS的立方相(方铅矿),分别。In-doped PbS的XRD模式在室温下阶段是在良好的协议与纯的PbS阶段在室温和200°C。然而,(220)峰PbS的立方阶段被发现稍微转变TiO 48.1°到47.6°2在纳米多孔薄膜退火/ PbS: 200°C。因此,在掺杂可能导致PbS的晶体结构的变化,这表明在做好准备样品的形成。


图4
PbS的x射线衍射模式和PbS:电影中在室温和200°C。

图5(一个)量子点显示了PbS的紫外可见吸收光谱:在看红移与原始PbS相比,特别是在可见区域。量子点的光学带隙估计使用Kubelka-Munk方程(从紫外可见吸收光谱32和Tauc情节33)(图5 (b))。PbS的光学带隙:从1.0 eV QD增加到1.4 eV随着掺杂浓度的增加,从0到1:1。然而,PbS掺杂的阈值(PbS: = 1: 1、5: 1)在近红外光谱区域图的插图5(一个)比原始PbS,搬到更短的波长一致的带隙的增加。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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(e)
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图5
(一)PbS的紫外可见吸收光谱:QD (PbS:在= 0,1,1,5:1,10:1,和20:1)吸附TiO2和(b) Tauc阴谋计算通过使用从紫外可见吸收Kubelka-Munk方程;(c) UPS光谱PbS: QD (PbS:在= 0,1,1,5:1,10:1,和20:1)吸附TiO2和外推低结合能的地区。(d)带边沿对齐图PbS和PbS:量子点在。(e)电子和孔转移模型的示意图说明无掺杂PbS / cd (i)和PbS: / CdS (ii)。

此外,QD吸附TiO的PbS:2观察低结合能的紫外线光电子能谱(UPS)光谱。二次截止是我光源安装在他的能量(21.2 eV),测量的低能量区域对应于势能的价带最大真空度(VBM),如图5 (c)。导带的位置最低(CBM)可以计算基于VBM和光学带隙能量。带边沿对齐显示在图5 (d)量子点,煤层气的向上的浓度降低,从0到10:1和降级的浓度减少从10:1 - 20:1。指出煤层气略有不同的浓度。所以它可能形状逐步PbS和TiO之间的结构2带边沿水平有利于电子注入TiO2,如图5 (e)。

的 - - - - - - 特征与不同浓度In-doped 2 SILAR PbS的周期:4 SILAR周期的cd太阳能电池在图所示6。短路电流密度( )、开路电压( ),填充因子(FF),电源转换效率( )如表所示1,分别。显然,最好的掺杂太阳能电池的性能是实现基于(Pb:)集中度(10:1)。电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)来确定实际执行In-doped浓度。结果表明,浓度为1.6%的PbS的电影。无论是高或低In-doped浓度可能损害QDSCs的性能。最优浓度被发现10:1形成级联结构的电子传输。实验数据表明,的含义 增强了掺杂浓度的增加。

表1
的光电性能参数与不同浓度的PbS QDSCs:。

图6
的 - - - - - - PbS的特点与不同浓度:在敏化太阳能电池:Pb: = 1: 1 (■)、Pb: = 5: 1 (▲)、Pb: = 10: 1(★)和Pb: = 20: 1 ( )。

同样,CdS的掺杂体系不同的SILAR周期完成。这些电极的规范化的吸收光谱图所示7(一)。吸收周围550海里被发现在PbS的扩散反射吸收光谱:/ CdS沉积膜,展示增强能力捕获入射光子的增加cd层。的 - - - - - - 特征对应的扩散反射吸收光谱图所示7 (b)。短路电流密度的6 SILAR周期(~ 23.42马·厘米−2)高于其他周期。获得最高的效率(2.36%)和cd的6 SILAR周期层(表2)。添加SILAR cd可以减少重组和增强的循环 在细胞中观察到表中2。

表2
参数的光伏性能QDSCs不同SILAR周期的cd。
(一)
(一)
(b)
(b)
图7
扩散反射(a)和吸光度光谱 - - - - - - 特点(b)与不同工作电极基于SILAR cd周期层:cd (4) (■), cd(6)(▼)和cd (8) (★)。

在比较研究中,两种不同类型的半导体光电阳极准备:(i) 2 SILAR周期无掺杂PbS和6 SILAR cd和(2)周期2 SILAR PbS的周期:在(Pb: = 10: 1)和6 SILAR周期的cd。这些电极的规范化的吸收光谱图所示8(一个)。吸收周围1200海里在PbS的吸收光谱:/ CdS沉积膜,展示增强型捕捉入射光子的能力。

(一)
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(b)
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(c)
(c)
(d)
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图8
(一)扩散反射半导体薄膜沉积在介孔TiO的吸光度光谱2电影:PbS / cd (■), PbS: / CdS (★)。(b) IPCE光谱PbS / cd (■), PbS: / CdS (★)。(c) - - - - - - 特点的不同工作电极测量下1.5全球100 mW过滤器厘米−2阳光:无掺杂PbS / cd (■), PbS: / CdS (★)。(d)阻抗测量QDSCs:纯的PbS / cd (■), PbS: / CdS(▲)应用负偏压, =−0.4 V,在黑暗条件下。工作电极的区域都在0.09厘米2。

图8 (b)显示事件photon-to-electron转换效率(IPCE)光谱的掺杂和无掺杂QDSCs在不同入射光波长。PbS / cd的相比,更增加整体光电流响应,特别是在近红外区域,被发现在PbS: / CdS电极,显示最大IPCE大于70%。在长波长光散射层增加进一步IPCE (IPCE 40%在800 nm和1200 nm) 10%。广泛吸收中的可见光和较高的photoconversion效率强调了在掺杂金属硫族化物的电影的重要性。最近,最高的短路电流密度最大EQE PbS(74.6%至470海里):Hg QD敏化太阳能电池被证明改变它(28]。我们可以参考参考34- - - - - -39]。指出短路光电流密度与工作电极吸收光线范围有更强的相关性比IPCE的价值。

的 - - - - - - 这两个QDSCs呈现在图的特征8 (c)。令人惊讶的是,PbS: / CdS电影表现出显著增加接近50%(从15.73马·厘米−223.01马·厘米−2)的光电流如表所示3,而相应的纯的电影。同样,开路电压被发现显著增加掺杂后从0.35 V至0.39 V。虽然填充因子仍然保持在很低的水平,增加短路电流和开路电压与In-doped系统导致增强在整个电力转换效率,表明更高效率的基于纯的2.30% (1.38%)。

表3
参数的光伏性能的PbS / cd和PbS: / CdS QDSCs。

PbS的增强性能:/ CdS电影主要归因于CBM和VBM调整兴奋剂,这有效地分离的电子和空穴成QD层。TiO的级联结构2/ PbS: / CdS相似,Hg -和Cu-doped系统(26,28),如图5 (e)(ii)。传输路径有利于积累更多的电子QDSCs光电压和短路电流密度的增加。此外,保持了PbS的能源缺口,这好处multiexciton一代。

通过阻抗测量我们也可以证实上述结论。阻抗测量的基于TiO QDSCs2/ PbS / cd和TiO2/ PbS: / CdS光电极呈现在图8 (d)。等效电路中插入被建议在另一个句子37- - - - - -39)模型QDSCs的阻抗谱(是)。根据等效电路,两个半圆图形应该获得的。复合电阻( ,一个电子的电荷转移电阻相关重组TiO2掺杂系统/电解质界面)远高于无掺杂体系。除此之外, 成反比的重组率和电子的密度在TiO吗2,这可能部分占TiO的电子时间长和更高的光电流2/ PbS: / CdS光电极。

然而,仍然有一些因素限制QDSCs的功率转换效率。(我)工党反电极性能降低的改进QDSCs填充因数,比较其他反电极(39,40]。(2)良好的光电阳极和坏反电极彼此不匹配,对电解氧化还原(28]。(3)困难还发现在SILAR控制QD大小和粒度分布的方法,优化QD敏化电极结构、高覆盖率,量子点和乐队的一致性,因此电子注入TiO放缓2硫化和孔转移到氧化还原夫妇。高电荷复合是实现更高效率的QDSCs(严重的因素41]。然而,原位电化学沉积方法被发现是一种有效的方法来确保高表面TiO的报道2和量子点之间的直接连接,TiO2矩阵(42),展示平台制造高性能太阳能电池通过掺杂系统。

4所示。结论

总之,SILAR方法被用来制造PbS: QDSCs。优越的短路电流密度马·23厘米−2实现了与量子点掺杂产生的细胞,主要归因于电子和空穴的分离和电荷转移的改进。结果显示一个有前途的潜在方法制造高性能QDSCs。

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),中国国家863计划的大部分(2011 aa050527),北京分子科学国家实验室(BNLMS2012-21),国家重点实验室南京大学固体微结构(M27019),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 (KF20141077207和KF20141077208),和北京重点实验室光电的测量BISTU (GDKF2013005)。