基于金屬網(wǎng)的疊層染料敏化太陽能電池(翻譯)

1、基于金屬網(wǎng)的疊層染料敏化太陽能電池隨著我們對能源和全球環(huán)境問題的擔(dān)憂日益加劇，尤其是對低碳經(jīng)濟(jì)，目前，作為第三代太陽能、最高效率高達(dá)12%的對染料敏化太陽能電池，吸引了整個(gè)世界的關(guān)注。 在過去的十年中，有著各種各樣的有關(guān)于實(shí)現(xiàn)提高能量轉(zhuǎn)換效率的調(diào)查。在廣泛的新的思想和方法中，串聯(lián)可以考慮作為一個(gè)可行的方法來提高改善Jsc，從而提高工作效率，通過實(shí)際應(yīng)用，總的光譜響應(yīng)范圍的兩種不同但互補(bǔ)的染料。然而，伴隨著它的繁榮， 串聯(lián)DSC面臨一些挑戰(zhàn)。首先， 保持最大的透明度將確保更高的光吸收率，而需要盡可能少的塊電極。串聯(lián)DSC常見的兩塊電極的結(jié)構(gòu)對TCO的透明度提出嚴(yán)格的要求，這將增加DSC的成本。其

2、次，普通的方法簡單地浸漬TiO2覆蓋的基片，方法是在一個(gè)染料溶液中浸漬然后換另一個(gè)，混合的DSC通常會(huì)給Jsc帶來損失，由于不同染料之間的負(fù)作用。第三，很少有報(bào)告提到方便和單獨(dú)的在各自的染料染色在整體結(jié)構(gòu)的雙層TiO2面板。這個(gè)遺留著的問題是如何處理這兩個(gè)分開的TiO2面板之間的不好的聯(lián)系，從而影響在二氧化鈦層中電子的轉(zhuǎn)移，因此，減少被激發(fā)的電子的收集率。雖然壓縮方法是一個(gè)解決連接問題潛在的方法，但它仍然是在串聯(lián)DSC不實(shí)際。與此同時(shí)， Fan使用導(dǎo)電網(wǎng)格制造DSC。然而，很少有基于金屬網(wǎng)的串聯(lián)DSCs的報(bào)告。只有Kenshiro Uzaki將串聯(lián)組成DSC 浮動(dòng)電極。然而，他們的串聯(lián)DSC仍

3、存在一系列的問題，和雙層結(jié)構(gòu)一樣，從而面臨著超越上述提到的第一個(gè)挑戰(zhàn)的光吸收。在本文當(dāng)中，提出了一個(gè)新的基于金屬網(wǎng)格的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。我們比較串聯(lián)電池與單個(gè)電池的性能，進(jìn)一步研究可能影響串聯(lián)DSC的性能的主要因素。1.實(shí)驗(yàn)在FTO玻璃襯底上多孔的二氧化鈦薄膜是準(zhǔn)備使用報(bào)告中所提到的方法。FTO玻璃是購自大連HeptaChroma太陽能技術(shù)有限公司。二氧化鈦由中國科學(xué)院等離子體物理研究所提供。不銹鋼網(wǎng)格從安平安信線有限公司購買，管道尺寸大約30m，厚度86m，孔隙度小于2%。二氧化鈦薄膜在FTO玻璃襯底上的厚度是8m。二氧化鈦薄膜和FTO，以及不銹鋼網(wǎng)格為0.5厘米×0.5厘米。二氧化鈦膜的

4、兩個(gè)部分在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中完全重疊。一個(gè)外面覆蓋著鉑的 FTO玻璃作為電極。染料溶液(N719)是在1:1的比率夏，乙腈和準(zhǔn)備的三丁基乙醇溶劑配置的。染料溶液(0.2mmol/L) 釕620-1H3TBAN749是準(zhǔn)備在1:1 的乙腈和三丁基乙醇溶劑。電極沉浸在染料溶液中12 h來將染料吸附在二氧化鈦表面。0.1摩爾/升LiI，0.08摩爾/升I2 ，0.5摩爾/升叔丁基吡啶和0.6摩爾/升這里使用電解液碘乙腈構(gòu)成。使用之前報(bào)道的方法9 (100 mw / cm2，AM1.5 ，SAN-EIXES-151S) 用太陽能模擬器測定電流電壓特性。用一個(gè)阻抗分析儀來測量電化學(xué)阻抗譜。EIS光譜是記錄在頻率

5、為10-2105Hz。應(yīng)用偏置電壓分別設(shè)定為DSCs開路電壓(Voc)。2.結(jié)果和討論2.1串聯(lián)結(jié)構(gòu)單元和工作原理圖1(a)展示了串聯(lián)DSC的新結(jié)構(gòu)。一種導(dǎo)電和靈活的網(wǎng)絡(luò)被引進(jìn)DSC的工作電極。串聯(lián)電池的陽極構(gòu)成了一個(gè)正常的第一個(gè)二氧化鈦層（染色用染料N719）在TCO一端。第二個(gè)二氧化鈦層(染色用染料N749)在不銹鋼網(wǎng)一端。第一個(gè)在TCO端的二氧化鈦層接近照明源。在不銹鋼網(wǎng)端的二氧化鈦層的面積完全與TCO那端的第一個(gè)二氧化鈦層重復(fù)，另一頭不銹鋼網(wǎng)則是與TCO相連接。一個(gè)FTO玻璃在這兒作為反電極。圖1(b)顯示的是串聯(lián)電子的傳遞流。第一個(gè)二氧化鈦層的激活電子被TCO收集; 而激活的電子在第

6、二個(gè)二氧化鈦層，可能被不銹鋼網(wǎng)收集到，并且直接通過網(wǎng)轉(zhuǎn)移到外部電路，為的是比二氧化鈦網(wǎng)更高的導(dǎo)電性不銹鋼網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于: 沒有造成的光損失一部分，入射光可以得到一個(gè)更好的發(fā)揮。不銹鋼網(wǎng)在這里發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，作為一個(gè)框架來支持第二個(gè)二氧化鈦層，它方便地分離兩個(gè)各自的染料在兩個(gè)不同的二氧化鈦層，并且充當(dāng)一個(gè)更好的電子收集器在第二個(gè)二氧化鈦層運(yùn)作。它也解決了上述問題，兩個(gè)二氧化鈦層之間的連接問題。在第一和第二個(gè)二氧化鈦層之間成功地收集激發(fā)電子。這里選擇的不銹鋼網(wǎng)是由于它低成本，厚度低，耐受性好，燒結(jié)溫度過高，允許電解液填充整個(gè)電池等優(yōu)點(diǎn)，這樣對于在該設(shè)備上的I-/ I3 -氧化還原問題

7、基本解決，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)基于它靈活的DSCs性能。2.2串聯(lián)的光伏性能 兩個(gè)單個(gè)電池(電池Sin1，電池Sin2)是參考電池Tan而備至的。電池Sin1的電極是8m厚的二氧化鈦薄膜在FTO端，電池Sin2則是二氧化鈦薄膜在不銹鋼網(wǎng)一端，而電池Tan的電極則是8m厚的二氧化鈦薄膜在FTO端和第二個(gè)二氧化鈦薄膜在不銹鋼網(wǎng)端。對電極和電解液中使用這些電池都是相同的。表1和圖2得出電流-電壓性能和這些電池的結(jié)構(gòu)。電池Tan的電壓Voc低于電池Sin1的，但是遠(yuǎn)高于電池Sin2的 Voc。由于平行結(jié)構(gòu)，串聯(lián)DSC的 Voc被電池Sin2的電壓值Voc限制。因此，它對于改善電池Sin2的Voc是非常重要的，雖

8、然0.396 V 是與Fan等7的結(jié)果完全可比。Tan電池的Jsc有點(diǎn)高于電池Sin1，但是低于電池Sin1和電池Sin2的和。這種狀況也許由于低染料N719 和N749之間的互補(bǔ)程度，或更多的厚度在不斷增加的串聯(lián)結(jié)構(gòu)引起的暗電流。因?yàn)槭紫燃ぐl(fā)電子的電荷載體得通過孔二氧化鈦層網(wǎng)到達(dá)對電極，如圖1(b)。在這個(gè)問題上的FF，甚至與上較低表面電阻(Rh)，不斷增加的Nernstian電解質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散電阻(R3)由于不銹鋼網(wǎng)格應(yīng)用程序，可能導(dǎo)致的Tan電池內(nèi)部總和阻力增加，因此產(chǎn)生較低FF。電池Tan的效率不如Sin1的高，這可能是由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的厚度和基于不銹鋼網(wǎng)的第二層的低效率造成的。考慮到由于串聯(lián)

9、結(jié)構(gòu)而不斷增加厚度的電池會(huì)帶來更高的電解質(zhì)擴(kuò)散阻力(R3)，同時(shí)可能帶來更多的重組。這里電池Sin1”(與電池Tan有著類似的厚度和電池Sin1相同的結(jié)構(gòu)單元)應(yīng)用于與電池Tan進(jìn)行比較。電池Tan的Jsc和效率都要高于電池Sin1”，這點(diǎn)驗(yàn)證了這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。與普通單層的DSC (Sin1”)相比，有著相似電池厚度的前提下，這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)提高約62%的效率。圖3(a)是電池Tan，電池Sin1和電池Sin2光伏性能比較。圖3(b)說明了這些電池的電化學(xué)阻抗譜(EIS)。波特圖表明電子壽命10，清單從左到右，分別是電池Tan，Sin2電池，電池Sin1。其間電子壽命和中心頻率峰值的關(guān)系在EI

10、S是: n = 1/2fmid11。Tan電池和電池Sin2展示了比電池Sin1更長的電池壽命。與DSC，電池Sin2(13)和電池Tan(16)的薄層電阻相符合的Rh，包含不銹鋼網(wǎng)，表現(xiàn)出了比電池Sin1(33)更小的Rh。這點(diǎn)在圖3（b）中展示，與不銹鋼網(wǎng)引起的更小的電阻有一致性，說明不銹鋼網(wǎng)應(yīng)用于DSC中會(huì)有更好的導(dǎo)電屬性。與FTO玻璃襯底上的二氧化鈦薄膜相比，二氧化鈦薄膜在不銹鋼網(wǎng)上有更多的裂縫，如圖4所示，這可能導(dǎo)致更多的激活電子和電解質(zhì)之間的消極重組。據(jù)報(bào)道，不銹鋼網(wǎng)和二氧化鈦薄膜不同的熱膨脹系數(shù)8實(shí)際上產(chǎn)生裂縫的原因。樣品被加熱，加大了二氧化鈦薄膜內(nèi)部在不銹鋼網(wǎng)上的熱應(yīng)力。如熱應(yīng)

11、力不減小，并且集中在薄膜的一些的位置，它會(huì)突然釋放的壓力限制，破壞薄膜。有著迷你加熱平臺(tái)的金相顯微鏡允許我們觀察在整個(gè)燒結(jié)過程的二氧化鈦薄膜的表面和裂縫的構(gòu)造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有一種方案是，與正常的燒結(jié)過程比較，30分鐘加熱至70后，以1/分鐘的速度緩慢升溫，可以減少裂縫的大小和削弱復(fù)合。串聯(lián)電池通過重組可能造成一定程度上的低效率，因此我們將電池S1(基于沒有表面處理的不銹鋼網(wǎng)) 和電池S2(基于不銹鋼網(wǎng))進(jìn)行比較。圖5(a)(b)(c)展示了不銹鋼網(wǎng)格表面的SEM不銹鋼網(wǎng)的SEM。電池S1比電池S2有更高的效率，如圖5所示(d)，這可以通過鋁(4.28 eV)和鐵(4.5 eV)的逸出功來解釋。對于鋁處理過的不銹鋼網(wǎng)電子可以更容易地轉(zhuǎn)移到I/ I3的電解質(zhì)能量層，這樣相比于電池S1，就有更多的重組和更少的Jsc。削弱重組需要更多的力，如沉積在不銹鋼網(wǎng)上的密集的二氧化鈦絕緣層。3 結(jié)論一種新的串聯(lián)染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)