制备Nano-Ag-TiO₂复合材料由Co-60γ辐照提高色素增感太阳能电池的光电流

文摘

Nano-silver-titanium二氧化碳(Ag-TiO₂从商业TiO)复合材料准备₂(P25、德固赛)和硝酸银(AgNO₃)γCo-60辐照方法与各种AgNO的初始浓度₃。的nano-AgTiO₂复合材料是利用色素增感太阳能电池的光电阳极(DSCs)。在完整的阳光照明(1000 W / m²,是1.5),DSCs效率有明显改善,尽管Ag含量低于1%。0.75 Ag-TiO DSC-assembled₂(0.75% Ag) photoanode-showed光电流从8.1 mA.cm显著增强⁻²9.5 mA.cm⁻²相比使用露出TiO DSCs₂光电阳极。不变的开路电压导致整个能量转换效率从3.75%增加25%到4.86%。电化学阻抗谱(EIS)分析表明,电荷转移电阻增加时降低Ag)内容,证明TiO的电荷转移₂/染料接口增强在银纳米粒子的存在。

1。介绍

研究和应用的新能源是必不可少的方法,以减少对化石燃料的依赖,和太阳能被认为是一个可行的解决方案来解决世界的能源危机。涂料太阳能电池(DSCs)已经承诺取代传统硅基太阳能电池的上下文中使用清洁的太阳能由于其低成本、大规模的生产,和简单的过程。因此,DSC技术一直是一个有吸引力的方式大规模太阳能电池板(1- - - - - -5]。在DSCs,细胞结构由纳米TiO₂光电阳极作为电子导体,染料Ru-complex光吸收剂,染料的氧化还原穿梭再生,和一个反电极收集电子和减少正电荷通过细胞生成(1]。通常,DSCs显示10%的高效的太阳能energy-to-electricity转换(1,6]。

很多方法研究了DSCs交替提高转换效率,包括研究这部小说对电极、电解质、染料、半导体光电阳极材料。其中,光电阳极决定的性能起着决定性的部分细胞(1,7- - - - - -9]。许多研究了半导体材料作为光电阳极等DSCs TiO₂氧化锌,SnO₂,注₂O₃,SrTiO₃。特别是,TiO₂已普遍应用由于其化学稳定性,优良的电荷传输能力,低成本,简单准备(2,10,11]。在DSCs TiO₂扮演三个角色:提供衬底染料吸附,(ii)接受电子从染料的激发态,和(3)运输TiO的电子从导带₂然后进行底物到外部电路(11,12]。TiO₂具有宽禁带能量在两种常见的结构:锐钛矿在3.2 eV和金红石3.0 eV。提高太阳能energy-to-electricity转换效率,TiO的表面₂修改与金属离子如铁^{3 +}和锌^{2 +},或者,金属纳米粒子如盟、Ag)和Pt (3,9,10,13,14]。研究Ag纳米粒子到TiO的合并₂半导体和金属纳米粒子的表面显示的耦合接口可能会产生光诱导电子转移,进而可能导致DSCs(能量转换效率的增加11,15- - - - - -17]。大多数以前的报告显示增强的效率(4.86%)由于Ag纳米粒子的电浆效应在高含量(> 2.5%)8]。许多方法已报告Ag-TiO做准备₂微波等复合溶胶-凝胶技术(18],microwave-hydrothermal技术[19),和紫外线照射20.]。γ辐照已经众所周知的一种有效的方法由于其制备简单,大规模生产,效率高,环保14,16,21]。

在这项工作中,我们准备nano-Ag-TiO₂复合材料在Ag含量低(< 1%)通过Co-60γ辐照。的nano-Ag-TiO₂复合材料被用来准备DSCs光电阳极。Ag)的角色的photoperformance DSCs了电流电压法和电化学阻抗谱。

2。实验

2.1。材料

TiO₂(P25、德固赛),AgNO₃Sigma-Aldrich(99.9%),两种类型的乙基纤维素(EC)粉(5 - 15 mPa⋅年代和30 - 50 mPa⋅年代,Sigma-Aldrich)、乙醇(95%,Sigma-Aldrich)和松油醇(无水99.9%,Sigma-Aldrich)商用。Fluorine-doped氧化锡(FTO-TEX-8X )导电玻璃基板(Dyesol、澳大利亚)、电解质溶液HPE (Dyesol、澳大利亚),钌染料N719 (Dyesol、澳大利亚),和铂粘贴PT1 (Dyesol、澳大利亚)被用来制造的阴极DSCs。

2.2。制备Nano-Ag-TiO₂复合材料

4.00 g TiO₂分散在20毫升乙醇和蒸馏水溶液(1/1, )磁搅拌30分钟;那么,解决方案是由超声波振实30分钟。10毫米AgNO₃的解决方案是添加到胶体溶液的各种重量比率Ag: TiO₂。混合物是通过伽马射线辐照的剂量范围从Co-60辐照器10 - 30 kGy的剂量率为每小时1.3 kGy的(VINAGAMMA中心,胡志明市)。表1细节AgNO的体积₃解决方案,Ag)的重量比率:TiO_2,和伽马辐射剂量。辐照胶体的解决方案是离心加速10000 rpm 30分钟收集粉末;然后,最终产品是干空气在一夜之间60°C。

2.3。制造的DSCs

DSCs(0.2厘米的活跃区域²)组装后我们的流程与四个步骤(先前的报道22- - - - - -24]。

2.3.1。Ag-TiO₂印花色浆制备

的Ag-TiO₂印花色浆由Ag-TiO组成₂(wt。20%),乙基纤维素酶(wt。10%), (wt。70%)和松油醇。4.50 g EC (5 - 15 mPa⋅s)和3.50 g EC (30 - 50 mPa⋅s)绝对是溶解在乙醇形成10% EC解决方案。0.40 g nano-Ag-TiO₂复合材料和1.40 g松油醇添加2.00克电子商务解决方案。混合物用在三个步骤,每30分钟。最终的解决方案是在真空烘箱中加热40°C 10小时除去乙醇和水。

2.3.2。光电阳极Ag-TiO₂准备

FTO玻璃,集电器,是首次在洗涤剂溶液通过超声清洗15分钟,然后用蒸馏水和乙醇冲洗。FTO玻璃泡成TiCl 40毫米₄解决方案在70°C 30分钟和re-washed蒸馏水和乙醇。的Ag-TiO₂粘贴厚度为12 - 14μm涂布在FTO衬底用丝网印刷的方法。印刷后,这些涂层电极加热在500°C下气流形成Ag-TiO 30分钟₂光电阳极。

2.3.3。铂阴极制备

FTO玻璃处理在0.1 M盐酸乙醇超声波浴15分钟,用丙酮洗净。FTO衬底上的阴极铂(Pt / FTO)是由使用铂粘贴PT1印刷方法。阴极Pt / FTO退火在450°C 30分钟。

2.3.4。DSC组装

两个电极排列成夹层细胞通过使用厚度的融化surlyn 190°C,持续30秒。染料溶液(10毫米N719 DMF)先后注入细胞通过一个洞在铂阴极,浸泡4小时,去除DMF溶剂。细胞与乙腈清洗三次被注入电解液。使用快干胶洞然后缩放。DSC大会进行充氮手套箱,避免氧气和水。

2.4。结构表征

nano-Ag-TiO的晶体结构₂先进复合材料的特征x射线衍射仪D8(力量、德国)与铜阳极( )。XRD模式中获得220°-80°范围(0.02°每秒)。nano-Ag-TiO的粒度₂通过透射电子显微镜(TEM)分析了图像TEM 1400 (JEOL、日本)。nano-Ag-TiO的紫外可见光谱₂复合材料被记录在紫外可见分光光度计(Jasco-V630、日本)。分析了材料的化学成分通过EDS方法使用日立s - 4800 FE-SEM / EDS乐器。

2.5。 - - - - - - 特征

(光伏特性 - - - - - - )的细胞被基斯2400源仪表记录。光源是太阳模拟器从450 W卤素灯和一个红外过滤器(1.5点)。入射光强度是1000 W / m²校准用标准的硅太阳能电池。电化学阻抗谱(EIS)的DSCs由AUTOLAB 302 n装置(Ecochemie、荷兰)0.1 hz - 100 kHz的频率范围,在灯饰的1000 W / m²。

3所示。结果与讨论

3.1。结构表征Nano-Ag-TiO₂复合材料

图1说明了商业TiO的x射线衍射模式₂(德固赛P25)和nano-Ag-TiO₂复合材料。所有衍射峰锐钛矿相可以被索引(正方,空间群I41 / amd)和金红石相(正方,空间群第42页/ mnm)。结构性TiO守恒₂表明, - - - - - -辐照与Co-60辐照器并不影响TiO的晶体结构₂锐钛矿相的比例和金红石相。没有观察到衍射峰的Ag)在Ag-TiO XRD的模式₂样品由于Ag纳米粒子的含量低(低于1%)。确定存在的Ag naoparticles在复合材料,其他技术(TEM、EDS和紫外可见)。

图2展品的TEM图像Ag-TiO 0.75纳米₂合成的。我们观察了定义良好的TiO₂纳米颗粒(亮色)在10到25 nm范围和nano-Ag(深色)TiO的背景₂粒子。0.75 Ag-TiO EDS模式₂(图3)复合粉证实综合Ag)的存在。

图4(一)显示样品的紫外可见光谱在粉。我们观察到带边沿nano-Ag-TiO吸收₂复合材料转向红色波长(红移)和银纳米粒子的等离子体共振效应出现在波长500 - 550纳米的范围。结果验证nano-Ag在TiO的形成₂的伽马Co-60辐照。基于Kubelka-Munk情节,能带能量( )的nano-Ag-TiO₂复合粉(表2比TiO)略有下降₂( )增加后的Ag)的内容。

光电阳极的制作过程后,nano-Ag-TiO₂复合材料在500°C教廷30分钟。我们跟踪photoproperties光电阳极,紫外可见光谱图可见4 (b)。的紫外可见光谱在Ag-TiO光电阳极₂显著改变。电浆效应在纳米尺度的消失,以及蓝移,观察由于退火后的Ag纳米粒子的聚集过程。四个光电阳极是近似的计算能带3.1 eV。许多研究表明Ag纳米粒子的等离子体共振效应的作用来提高性能的DSCs [11,16,19,25]。缺乏电浆的影响低Ag DSCs性能小节中详细内容。

3.2。DSCs表演

我们制造使用nano-Ag-TiO DSCs₂复合材料以及TiO₂p25光电阳极和研究了下photoperformance 1000 W / m²光强度。DSCs‘表演’结果聚集在图5和表3。TiO的DSCs组装₂p25光电阳极得到短路电流( )8.12 mA /厘米²开路电压( )0.77 V,填充因子(FF)的67%;整个光电流转换效率( )计算为3.75%。对于Ag-TiO₂光电阳极,photoperformance DSCs实际上增加了。它指出,开路电压( )几乎不变,稳定在0.77 V,表明能源结构的光电阳极(费米能级)是不变的。短路电流( )逐渐增强的Ag)内容;特别是0.75 Ag-TiO₂光电阳极表现出最高的9.56 mA /厘米²比8.12 mA /厘米²与TiO2-P25光电阳极。photoefficiency ( )也显著提高到4.86%。我们相信Ag纳米颗粒在低内容作为electron-bridge TiO之间₂和电流收集器FTO TiO晶界的影响有限₂矩阵。我们描述了光电子Ag-TiO转移的机制₂光电阳极DSCs图6。当光电阳极Ag-TiO₂1.5 / N719被阳光照亮我,N719染料是N719兴奋和转换以下由N719超高速电子注入TiO的传导带(CB)₂半导体。由于较低的能量比TiO Ag-CB(费米能级)₂cb,光电子可以收集在TiO Ag)粒子和轻易地转移₂电流收集器FTO矩阵。此外,复合的和在TiO₂粒子可以限制也增强了光电流DSCs。

澄清Ag-TiO的角色₂光电阳极的photoefficiency DSCs,电化学阻抗谱(EIS)进行的在灯饰的1000 W / m²在0.1 hz - 100 kHz的频率范围。尼奎斯特图和预示着阴谋呈现在图7;EIS光谱的分析详细的表4。给出了等效电路的插图人物7。EIS的DSCs谱尼奎斯特图(图7(一))显示两个半圆形,对应两个过程:(i)在阴极铂和电子转移(2)TiO的电子转移₂网络和从TiO₂cb在电解质三碘化通过反应(1),称为重组过程。

在高频率,我们观察到的变化可以忽略不计的电子转移电阻( )在阴极铂。在中间频段,复合抗性( )大幅下降(来自哪里对光电阳极TiO₂和对光电阳极Ag-TiO₂),揭示Ag)的角色electron-bridge促进TiO的电子转移₂网络。根据王的研究等。4),减少复合电阻反映了快电子转移在photoperformances光电阳极,是有益的。此外,导带电子的化学电容( )也表明电子寿命增加( )由电阻和电容( )是略有下降。此外,特征频率是稳定在37.3赫兹波德图(图7 (b)),显示稳定的自由电子。

4所示。结论

总之,我们演示直接nano-Ag-TiO2复合材料的制备 - - - - - -辐照方法从Co-60辐照器和Ag-TiO₂色素增感太阳能电池的光电阳极显示功能。nano - 0.75 Ag-TiO DSCs-based₂复合photoanode-presented令人鼓舞的性能077 V,9.56 mA /厘米²填充因数为0.64,photoefficiency 4.86%。研究Ag)通过EIS的角色,我们只观察复合电阻的降低光电阳极由于Ag electron-bridge的形成,提高了电子转移过程但不减少电子寿命。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究工作是由越南国立大学通过授予数量HS2015-18-01胡志明市。

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