锌掺杂对TiO2染料敏化电池光阳极中电荷俘获态分布及电子复合过程的影响.pdfVIP

Vo1．34 高等 学校 化 学 学报 No．2 2013年2月 CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES 418～422 doi：10．7503／cjc 锌掺杂对 TiO2染料敏化电池光阳极中 电荷俘获态分布及 电子复合过程的影响 张盼盼 ，朱 枫 ，艾希成 ，付立民 ，徐东升 ，张建平 (1．中国人民大学化学系，北京 100872；2．北京大学化学与分子工程学院，北京 100871) 摘要 基于瞬态光电压和瞬态光电流技术研究了锌掺杂的TiO 染料敏化太阳能电池中电子复合及传输的动 力学行为．通过实验获得了不同阳极掺杂条件下的电子复合时间常数与电子收集时间常数，考察了锌掺杂 对电池阳极材料导带能级和电子俘获态的影响．研究结果表明，锌的掺杂在提高TiO：导带能级的同时延长 了俘获态电子的复合时间常数，从而大大提高了电池的开路电压． 关键词 掺杂；俘获态分布；电荷传输；电荷复合；染料敏化太阳能电池 中图分类号 0646 文献标志码 A 染料敏化电池(DSC)因其廉价、易于制备且制备过程对环境污染较少而被认为是未来清洁能源的 重要候选材料之一 ¨ ．多年来，为提高DSC电池的效率，人们在开发新的电池阳极材料H 、新的 染料体系 ’ 及优化器件结构 ¨等方面开展了大量的研究工作．DSC光电转换过程中的机理问题也 获得了广泛关注．从动力学角度出发，染料激发态注入的电子在被电极收集之前的一系列传输与收集 及与之伴随的染料还原再生、电荷复合和空穴传递等过程控制着DSC电池的光电转换效率 J．由于很 多染料分子 (例如钌配合物系列和卟啉基染料)的激发态可以以接近 1的效率向光阳极注入电子 ¨， 因而电子在光阳极中的传输和收集效率就成为决定电池整体光电转换效率的关键因素．在电极上收集 到更多的电子并使这些电子具有更高的电势，是DSC研究中的重要问题． 为了增大吸附染料的比表面积，DSC电池的阳极结构通常都是多孔结构，这种多孔结构产生了比 固体半导体材料更多的电荷俘获态．注入的电子在阳极结构中的传递需在俘获态的控制和／或影响下 进行，即电子要经过多次的俘获(电子从导带到俘获态)和解俘获 (电子从俘获态到导带)才能从最初 的注入点到达透明电极处被收集，即Multiple—trapping的电子传递过程．可以认为电子俘获态相对阳极 材料的导带能级的分布形式决定了DSC电池的电子传输行为，导带能量则决定了所传输电子的电压， 这两个方面都对 DSC电池的效率产生十分关键的影响．DSC电池电解液中常用的添加剂4一叔丁基吡 啶(TBP) 是通过吸附电荷调整阳极的导带能量从而提高电池的开路电压和光电转换效率的．对光 阳极材料本身进行调控 ，可以调整阳极的导带能量提高电池的开路电压，或减少表面俘获态提高电 子的传输效率． 本文研究了一系列掺锌的二氧化钛阳极DSC电池，考察电池 电子的复合动力学，研究锌掺杂对于 光阳极导带能量、俘获态的分布以及内部电子传输动力学的影响，分析了锌掺杂对电池开路电压和短 路电流等参数的影响原因． 1 实验部分 1．1 试剂与仪器 三乙醇胺 (纯度95％)、钛酸四丁酯 (纯度95％)、二甘醇(纯度99％)和TiC1(纯度95％)，Aldrich 公司；乙醇(纯度99．5％，北京化学试剂公司)，羟丙基纤维素 (纯度90％，Fluka公司)，醋酸锌(纯度 收稿 日期：2012-02-28． 基金项 目：国家自然科学基金(批准号20903117资助． 联系人简介：付立民，男，博士，副教授 ，主要从事功能材料激发态动力学研究 张盼盼等：锌掺杂对TiO 染料敏化电池光阳极中电荷俘获态分布及电子复合过程的影响 419 99％)和色谱纯乙醇(纯度99％)，AlfaAesar公司． 1．2 电池的构建 将 3g三乙醇胺和3．4g钛酸四丁酯混合，滴加原始摩尔数醋酸锌的乙醇溶液，在80℃下静置 12h，加40mL水后转移到50mL的水热反应釜中，在 18