Cải thiện hiệu suất quang điện của pin mặt trời nhạy màu bằng cách cấy ions carbon vào các điện cực phim titania ba lớp

Rare Metals - Tập 34 - Trang 34-39 - 2014
Jun Luo1, Wei-Guang Yang1, Bin Liao2, Hai-Bo Guo1, Wei-Min Shi1, Yi-Gang Chen1
1School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai, China
2College of Nuclear Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing, China

Tóm tắt

Các phim cấu trúc ba lớp TiO2 đã được điều chỉnh bằng cách cấy ion C nhằm cải thiện hiệu suất quang điện của các pin mặt trời nhạy màu (DSSCs), trong đó cấu trúc của TiO2 thay đổi từ dạng ruhit thành dạng anataze và kích thước của các hạt TiO2 tăng lên. Nồng độ tối ưu của việc cấy ion cho các tế bào cấy ion C là 1 × 1015 atom·cm−2, và hiệu suất chuyển đổi tối đa đạt được là 5,32 % (cường độ ánh sáng 1 mặt trời, độ chiếu sáng của AM1.5G), cao hơn 25,2 % so với tế bào chưa cấy. Sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất chuyển đổi nhờ cấy ion carbon được đóng góp bởi việc giảm tái hợp điện tích và nâng cao khả năng thu ánh sáng, như được chỉ ra từ hiệu suất chuyển đổi photon tới electron thu thập (IPCE) và các đo lường trong vùng cực tím - khả kiến (UV-Vis). Hơn nữa, thời gian sống của các mang điện tích trong các phim titania ba lớp được kéo dài sau khi cấy ion carbon.

Từ khóa

#TiO2 #cấy ion carbon #hiệu suất quang điện #pin mặt trời nhạy màu #hiệu suất chuyển đổi #mang điện tích

Tài liệu tham khảo

O’Regan B, Grätzel M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 1991;353(6346):737. Grätzel M. Photoelectrochemical cells. Nature. 2001;414(6861):338. Bai Y, Wang P, Grätzel M. High-performance dye-sensitized solar cells based on solvent-free electrolytes produced from eutectic melts. Nat Mater. 2008;7(8):626. Naveen CS, Raghu P, Mahesh HM, Narasimha Rao K, Rakesh Kumar R, Phani AR. Optical and structural properties of highly porous shell structured Fe doped TiO2 thin films. Rare Met. 2014;33(5):578. Chung SL, Wang CM. Solution combustion synthesis of TiO2 and its use for fabrication of photoelectrode for dye-sensitized solar cell. J Mater Sci Technol. 2012;28(8):713. Burschka J, Pellet N, Grätzel M. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 2013;99(7458):316. Zakeeruddin SM, Grätzel M. Solvent-free ionic liquid electrolytes for mesoscopic dye-sensitized solar cells. Adv Funct Mater. 2009;19(14):2187. Chen CY, Shaik MZ, Grätzel M. Highly efficient light-harvesting ruthenium sensitizer for thin-film dye-sensitized solar cells. ACS Nano. 2009;3(10):3103. Liu J, Duan YD, Zhou XW, Lin Y. Influence of VB group doped TiO2 on photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells. Appl Surf Sci. 2013;277:231. Hachiya A, Takata S, Komuro Y, Matsumoto Y. Effects of V-ion doping on the photoelectrochemical properties of epitaxial TiO2 (110) thin films on Nb-doped TiO2 (110) single crystals. J Phys Chem C. 2012;116(32):16951. Pang HC, Yang HB, Guo CX, Li CM. Functionalization of SnO2 photoanode through Mg-doping and TiO2-coating to synergically boost dye-sensitized solar cell performance. ACS Appl Mater Interfaces. 2012;4(11):6261. Guo W, Shena YH, Ma TL. Influence of nitrogen dopants on N-doped TiO2 electrodes and their applications in dye-sensitized solar cells. Electrochim Acta. 2011;56(12):4611. Ghicov A, Macak JM, Schmuki P. Ion implantation and annealing for an efficient N-doping of TiO2 nanotubes. Nano Lett. 2006;6(5):1080. Qin LZ, Liao B, Wu XY. Photocatalytic performance of Fe-, Ni-, or Cu-ion implanted TiO2 films under UV light, visible light and sunlight irradiation. Nucl Instrum Methods Phys Res B. 2013;307:385. Zhang YB, Chen B, Tan J. Structure of Fe3+-doping titanium dioxide and photocatalytic degeneration of organic compound radiated by Vis or UV. Chin J Rare Met. 2013;37(1):92. Seigo I, Murakami TN, Grätzel M. Fabrication of thin film dye-sensitized solar cells with solar to electric power conversion efficiency over 10 %. Thin Solid Films. 2008;516(14):4613. Zhang TH, Wang XY, Liang H, Zhang HX, Zhou G, Sun GR, Zhao WJ, Xue JM. Behaviour of MEVVA metal ion implantation for surface modification of materials. Surf Coat Technol. 1996;83(1–3):280. Liu AD, Zhang HX, Zhang TH. MEVVA ion source development and its industrial applications at Beijing Normal University. Surf Coat Technol. 2005;193(13):65. Nazeeruddin MK, Zakeeruddin SM, Humphry-Baker R, Jirousek M, Liska P, Vlachopoulos N, Shklover V, Fischer CH, Grätzel M. Acid-base equilibria of (2,2-Bipyridyl-4,4-dicarboxylic acid) ruthenium(II) complexes and the effect of protonation on charge-transfer sensitization of nanocrystalline titania. Inorg Chem. 1999;38(26):6298. Thavasi V, Renugopalakrishnan V, Jose R, Ramakrishna S. Controlled electron injection and transport at materials interfaces in dye-sensitized solar cells. Mater Sci Eng R. 2009;63(3):81. Wang ZS, Kawauchi H, Kashima T, Arakawa H. Significant influence of TiO2 photoelectrode morphology on the energy conversion efficiency of N719 dye-sensitized solar cell. Coord Chem Rev. 2004;248(13–14):1381. Nazeeruddin MK, De Angelis F, Fantacci S, Selloni A, Viscardi G, Liska P, Ito S, Takeru B, Grätzel M. Combined experimental and DFT-TDDFT computational study of photoelectrochemical cell ruthenium sensitizers. J Am Chem Soc. 2005;127(48):16835. Gao HT, Ding CH, Dai DM. Density functional characterization of C-doping anatase TiO2 with different oxidation state. J Mol Struct. 2010;944(1–3):156. Lee JY, Park J, Cho JH. Electronic properties of N- and C-doped TiO2. Appl Phys Lett. 2005;87(1):011904. Murakami TN, Ito S, Wang Q, Nazeeruddin MK, Bessho T, Cesar I, Liska P, Humphry-Baker R, Comte P, Grätzel M. Highly efficient dye-sensitized solar cells based on carbon black counter electrodes. J Electrochem Soc. 2006;153(12):2255. Zhang J, Peng WQ, Chen ZH, Chen H, Han LY. Effect of cerium doping in the TiO2 photoanode on the electron transport of dye-sensitized solar cells. J Phys Chem C. 2012;116(36):19182. Kern R, Sastrawan R, Ferber J, Stangl R, Luther J. Modeling and interpretation of electrical impedance spectra of dye solar cells operated under open-circuit conditions. Electrochim Acta. 2002;47(26):4213. Zhang CN, Chen SH, Mo L, Huang Y, Tian HJ, Hu LH, Huo ZP, Dai SY, Kong FT, Pan X. Charge recombination and band-edge shift in the dye-sensitized Mg2+-doped TiO2 solar cells. J Phys Chem C. 2011;115(33):16418.