作者:中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司 來源:http://www.sikpqwc.cn 日期:2022-03-04 14:35:59
【背景介紹】
量子點(diǎn)的特殊性質(zhì),如可調(diào)諧帶隙、高固有偶極矩、溶液可加工性和顯著的消光系數(shù),使其優(yōu)于金屬有機(jī)染料而被認(rèn)為是一種很有前途的光吸收替代品。雖然量子點(diǎn)敏化太陽能電池(QDSCs)的能量轉(zhuǎn)換效率(PCEs)低于染料敏化太陽能電池,但作為第三代太陽能電池的低成本候選材料,量子點(diǎn)敏化太陽能電池領(lǐng)域仍得到大量關(guān)注 。
【研究出發(fā)點(diǎn)】
目前,QDSCs的研究主要集中在有毒硫族化合物(鎘、鉛)上,但環(huán)境和健康方面的問題限制了其應(yīng)用。碳基納米顆粒(包括石墨烯量子點(diǎn)、碳量子點(diǎn)(CQDs)和碳納米點(diǎn)(CNDs))由于其低毒、優(yōu)良的光學(xué)性能、低成本、易合成和惰性,被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管、光催化和光伏器件。納米結(jié)構(gòu)的氮化碳(CNs)具有低成本和高比表面積,并可通過表面工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。在PV領(lǐng)域,CN已經(jīng)證明了自己是一種極好的低成本可再生能源。基于之前的研究結(jié)果,我們制備了嵌入CQDs的CN納米管(CCNTs),并將它們用作CQDs敏化太陽能電池的吸光層,而不需要額外的敏化材料。
基于此,韓國(guó)仁荷大學(xué)化學(xué)系S.-J. Park等人以凍干尿素和CQDs為前驅(qū)體,制備了含氮碳量子點(diǎn)(CQDs)嵌入CN的納米管(CCNTs)。制備的CCNTs首次作為QDSCs的高效光收獲器;與CQDS、CN NT和塊狀CN敏化太陽能電池相比,它們的使用顯著提高了太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。 CCNT敏化太陽能電池的PCE值為1.01%,在碳基QDSCs中最高。 此外,與CQDs-、CN NTs-和塊狀CN敏化器件相比,CCNTs敏化器件具有更好的光穩(wěn)定性。 CCNT-敏化太陽能電池性能的提高主要是由于其促進(jìn)了光電子傳輸和抑制了電荷復(fù)合。 將富氮CQDs集成到CCNTs中,調(diào)整了能帶排列,并通過降低能量壘來最大化可見光收獲,從而提高了器件的電荷收集效率。
該研究成果以“Carbon quantum dots-embedded graphitic carbon nitride nanotubes for enhancing the power conversion efficiency of sensitized solar cells”為題發(fā)表在Materials Today Chemistry上。
圖1. (a) CCNTs合成示意圖,(b) CQDs的TEM圖像,(c) CN NTs的TEM圖像,(d) CCNTs的高分辨率TEM圖像,(e和f)選定部分CCNTs的TEM圖像
CCNTs的制備如圖1a所示。CQDs中的氨基通過酰胺鍵促進(jìn)了CN和CQDs之間的界面作用,從而形成了CQDs。此外,CQDs在CN中的植入促進(jìn)了管狀CCNT結(jié)構(gòu)的形成。如圖1b所示,富含胺的CQDs粒徑分布均勻,直徑范圍為1.5 ~ 4 nm(平均直徑為2.1 nm)。CCNTs的TEM圖像如圖1c所示。原始碳納米管的直徑為20-70 nm,壁厚為7-8 nm。圖1d為CCNTs的管狀形貌;它們的表面均勻,沒有明顯的納米顆粒。此外,CCNTs的壁厚小于20 nm。HR-TEM圖像如圖1e和f所示。在CN管狀空心結(jié)構(gòu)上可以看到許多小量子點(diǎn);結(jié)果表明,CQDs石墨碳與CN石墨碳之間形成了微區(qū)域異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
圖2. (a) J-V曲線,(b) 100 mW/cm-2光照下瞬態(tài)光電流密度測(cè)量
表1.在100 mW/cm-2光強(qiáng)度下測(cè)量的光伏參數(shù)
圖2a比較了CCNTs、CQDS、CNNTs和塊狀CN敏化器件的電流密度電壓(J-V)曲線。所測(cè)得的PV參數(shù)如表1所示。Device-I的PCE、Voc、Jsc、FF值在所有報(bào)道的碳基QDSCs中最高。g-C3N4 NTs作為塊層抑制復(fù)合,促進(jìn)電子和空穴的分離,并在TiO2和CCNTs之間形成Ⅱ型能帶排列。Voc的改善可以歸因于CCNTs與TiO2之間Ⅱ型帶對(duì)齊的形成,加速了光生載體的分離,導(dǎo)致了更高的Voc。圖2b比較了所制備器件的快速光響應(yīng)和穩(wěn)定性特性。在光照下,電流迅速增加;在停止照射后迅速減少。這種顯著增加的光電流證明了CCNTs敏化器件的有效捕光性能。Device-I相對(duì)于其他器件的更好的性能可以歸因于CQDs與CN之間的界面相互作用調(diào)整了CCNTs的電子結(jié)構(gòu),使其光載流子轉(zhuǎn)移壘減小。
圖3. (a)化學(xué)電容(Cm)和(b)外加電壓(V)下的復(fù)合電阻(Rrec)
如圖3a所示,所有器件在不同偏置電壓下的相似值表明,吸光材料對(duì)TiO2電子受體CB邊緣的影響可以忽略不計(jì)。此外,在相同的偏置電壓下,可以觀察到Rrec值的顯著差異(圖3b)。此外,Rrec值與光陽極/電解質(zhì)界面的電荷復(fù)合率(CRR)成反比。一般情況下,光陽極/電解質(zhì)界面處的CRR是由TiO2中的光生電子與電解質(zhì)的復(fù)合以及TiO2/電解質(zhì)界面處電子的回流決定的。因此,Device-I相對(duì)于其他器件的Rrec值較高,可能是由于TiO2向CCNTs回流速度較慢,而CCNTs向TiO2的電子轉(zhuǎn)移速度較快,從而提高了電池性能。
圖4.穩(wěn)定性測(cè)試:所有設(shè)備的(a)開路電壓(Voc),(b)短路電流(Jsc),(c)填充系數(shù)(FF)和(d)功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)
太陽能電池的穩(wěn)定性對(duì)于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。測(cè)定了所有器件的工作光穩(wěn)定性。所有器件在100 mW/cm-2光源下照射8 h,每小時(shí)記錄Voc、Jsc、FF、PCE等PV參數(shù)。記錄的結(jié)果如圖9所示。所有設(shè)備均在空氣中儲(chǔ)存,未密封。從圖中可以看出,Device-II、Device-III和Device-IV的PCE值持續(xù)下降,而Device-I的PCE值在前2 h從1.01%下降到0.92%,之后PCE值保持不變。Device-I的卓越穩(wěn)定性可以歸功于CCNTs產(chǎn)生的中間間隙態(tài),它可以增強(qiáng)電解質(zhì)/QD界面上的電荷轉(zhuǎn)移,減少與空穴或電解質(zhì)的復(fù)合。CCNTs捕獲電子抑制電荷復(fù)合速率。分離的電子可以通過外部電路收集。因此,減少重組可以提高QDSCs的光穩(wěn)定性。
【總結(jié)與展望】
本研究制備了基于CCNTs的“綠色”QDSCs(嵌入CQDs的CN NTs),制備了PCE平均為1.01%的捕光材料;這是所有碳基QDSCs中最高的。太陽能電池器件的優(yōu)異性能可以歸功于管狀微區(qū)域異質(zhì)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)良好的CCNTs結(jié)構(gòu)有利于電荷分離。此外,富氮CQDs在CCNTs中的整合調(diào)整了能帶排列,并通過降低能量勢(shì)壘來最大化可見光收獲,從而協(xié)同提高了器件的電荷收集效率。此外,與CQDs-、CNNTs-和塊狀CN-敏化器件相比,CCNTs敏化器件具有更好的光穩(wěn)定性。總的來說,CQDs與CN的合理組合可以以高效光能采集器的形式使用,以提高太陽能電池的光伏性能。