多酸调控硫化物双层对电极材料及其在量子点敏化太阳能电池中的应用

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量子点敏化太阳能电池是一种低成本高效的第三代太阳能电池。量子点具有成本低、易于室温制备、带隙可调、激子产生可能性大等优点。为了使电池的效率得到提高,人们对电池的各个组成部分进行了不断优化:光阳极,量子点敏化剂,电解质和对电极。对电极作为量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)的重要组成之一,对电池的性能有着非常重要的影响。理论上,对电极主要对QDSSCs的填充因子(FF)有影响,但通过大量的研究,已经证实对电极对QDSSCs性能的整体提升有着重要意义。因为它不仅会提高电池的FF,对于电池开路电压(Voc)及短路电流密度(Jsc)的提高也存在影响。在过去的科研工作中,单一的对电极材料成为了研究者们科研的重心,贵金属、碳材料、聚合物及金属硫化物等都是目前常用的单一对电极材料,而人们对于复合对电极的研究相对较少。复合对电极是用两种或两种以上对多硫电解液有催化活性的材料制备的对电极,在复合对电极中,各种对电极材料协同作用,能够极大的提高对电极的催化活性,进而提高QDSSCs的性能。复合对电极可以综合两种甚至多种电极材料的优点,从而表现出良好的催化活性。碳材料具有来源广泛、成本低廉、导电性强以及化学稳定性良好等特点。如今,石墨、炭黑、石墨烯和碳纳米管等碳材料接连不断地被引入到基于多硫电解质的QDSSCs中作为对电极。其中,石墨烯的应用备受关注。石墨烯是由sp2杂化的碳原子组成的一种具有大的比表面积、良好的稳定性以及超强导电性的蜂窝状六方点阵结构的二维纳米材料。过渡金属硫化物由于其特殊的二维层状结构一直是人们普遍关注的焦点。MoS2是过渡金属硫化物层状材料的代表,每一层是由共价键S-Mo-S六边形二维结构构成,而层间是依靠较弱范德华力结合而成。近年来,MoS2由于具有高导电性和催化活性的特点,已被证明是DSSCs和QDSSCs潜在的CE材料选择。多金属氧酸盐(POMs)是一种多金属氧化物,作为一种有效的电子受体,可以捕获半导体中的光生电子,然后将电子传输到邻近的区域。特别的是,在进行了可逆多电子氧化还原反应后,POMs仍然可以保持其结构完整。因此,POMs可以促进半导体中电荷的转移,并延缓电子-空穴的重组。基于上述原因,我们设计了以下三种复合对电极,并将其运用到QDSSCs中:1)H4SiW12O40/MoS2(S-M);2)Cu2S-H4SiW12O40/MoS2(Cu2S-SiW12/MoS2);3)Cu2S-Graphene/MoS2(Cu2S-RGO/MoS2),并对其光电性能进行了研究。具体内容如下:1.利用水热合成的方法制备了S-M1、S-M4、S-M5、S-M6、S-M6.5五种复合物。通过SEM测试发现:SiW12的加入可以影响二硫化钼的形貌,SiW12加入量较少时,对二硫化钼的尺寸影响较小;当SiW12含量剧增,二硫化钼的尺寸将下降至200-300nm。通过J-V曲线测试、EIS测试、Tafel极化曲线测试均证明了S-M6具有更高的电池效率和更佳的电催化活性,其效率可以达到2.18%。并且,通过对比试验结果证实了S-M6电池效率的提高是SiW12中阴阳离子共同作用的结果。2.采用方便的丝网印刷方法制备出了具有高电催化性能的双层Cu2S-SiW12/MoS2对电极。由Cu2S-SiW12/MoS2对电极组成的太阳能电池效率可达4.28%。EIS得到的数据经软件拟合得到Rct:Cu2S-SiW12/MoS2<Cu2S,SiW12/MoS2<MoS2。这可能是由于SiW12导带(-4.5 eV,AVS)位于Cu2S(-4.5 eV,AVS)和MoS2(-4.73 eV,AVS)导带之间。SiW12可以捕获Cu2S中的电子,然后将其转移到MoS2,因此SiW12起着传递电子的作用。这也是一种利用多酸来提高QDSSCs光电转化效率的新策略。3.制备出了双层Cu2S-RGO/MoS2对电极,并对其性能进行了一系列的研究。经过Tafel和EIS测试表明Cu2S-RGO/MoS2对电极具有较好的电催化活性,由其组成的电池效率可到达3.15%,相较于Cu2S以及RGO/MoS2对电极均有提高。
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