不同形貌TiO2纳米棒对量子点敏化太阳能电池效率的影响

高其乾，　段良升，　王　鹏，　张学宇,　吕　威*

(1.长春工业大学 材料科学与工程学院， 吉林 长春　130012;2.长春工业大学 材料科学高等研究院， 吉林 长春　130012)



不同形貌TiO2纳米棒对量子点敏化太阳能电池效率的影响

高其乾1,2，段良升1,2，王鹏1，张学宇1,2,吕威1,2*

(1.长春工业大学 材料科学与工程学院， 吉林 长春130012;2.长春工业大学 材料科学高等研究院， 吉林 长春130012)

摘要：结合材料合成与器件制作,通过TiO2纳米棒基量子点敏化太阳能电池光电转换性能研究,探讨影响电池性能的关键因素,并在电池制作过程中进行有针对性的优化,旨在提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率。在此采用水热合成法，探索了不同的水热合成条件，对TiO2纳米棒形貌的影响，并且以CdS作为敏化剂制得了不同形貌的TiO2纳米棒基量子点敏化太阳能电池。得出了水热合成条件为:15 mL浓盐酸，15 mL去离子水，150 ℃加热温度时效率最高的结论。

关键词：TiO2; 水热合成; 纳米棒; 量子点; 太阳能电池

0引言

近年来，一维纳米结构(纳米线、纳米棒[1]、纳米管和纳米纤维)越来越引起学者关注，对比球形或者二维纳米薄膜，有序排列的纳米线阵列具有明显的量子限域效应,高度有序取向结构和大的比表面积能有效提高电子和空穴的界面分离和载流子的定向传输效率，使其在染料敏化电池[2]、光电化学电池、光(电)催化降解污染物、传感器等技术领域有着重要的应用前景。一维纳米结构不仅有利于光的散射，还可有效提高光吸收率;光生电子扩散到表面的时间越短，电子与空穴的复合几率越小，电荷分离效果越好，从而使光催化活性明显提高;比表面积变大，表面键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全，导致表面活性位置增多，一维纳米结构材料光催化活性更高，纳米棒阵列作为一种有序的结构，它不单体现了纳米结构单元的集体效应，而且反映了单一纳米结构或单元所不具备的协同效应、耦合效应等研究，有序纳米棒阵列不仅能够为研究纳米材料提供严格意义上的模型，而且能够为设计高性能的器件提供合适的组件。 因此，开展对纳米棒有序阵列的制备和光电性能的探索性研究十分有意义，笔者利用简单易行的水热法[3]通过不同的水热条件在FTO导电玻璃上制备了有序的纳米棒阵列[4]，通过扫描电子显微镜，X射线衍射仪对制备的纳米棒进行形貌及做成硫化镉敏化的太阳能电池[5]光学性能表征，为进一步进行纳米晶形貌控制提供了试验积累和指导。

1实验部分

1.1实验材料

盐酸：分析纯,北京化工厂;

钛酸四丁酯：国药集团化学试剂有限公司;

乙酸镉：国药集团化学试剂有限公司;

硫化钠：国药集团化学试剂有限公司;

I/V曲线测试仪：卓立汉光仪器有限公司。

1.2实验过程

采用简单易行的水热法制备TiO2纳米棒。具体试验过程:取一定量的浓盐酸，一定量的去离子水，一定量的钛酸四丁酯，放在烧杯中混合均匀，然后和清洗干净的FTO玻璃倾斜放到聚四氟乙烯内衬反应釜中，在反应釜温度为150 ℃的烘箱中加热反应12 h,待反应釜空气中自然冷却后，将导电玻璃取出，用去离子水清洗，在导电玻璃的表面生成一层白色的薄膜，然后将样品在空气中经450 ℃退火0.5 h，缓慢冷却后得到了金红石相TiO2纳米棒[6]阵列。 利用扫描电子显微镜观察样品的表面形貌，XRD确定晶体类型，以及采用连续离子层吸附与反应法沉积硫化镉量子点，以CuS作为对电极做成太阳能电池，对其进行I/V曲线表征。具体实验条件见表1。

表1　具体的实验条件

2结果与讨论

2.1SEM形貌分析

样品的平面、截面SEM如图1所示。

图1(a)中可以看出，在实验条件1下,水热合成了粗细均匀，近乎于垂直于导电玻璃表面的致密的一层TiO2纳米棒薄膜，纳米棒的直径大约为150 nm。

图1(b)中，由于钛酸四丁酯浓度的提高，水解速度变大，导致细小的纳米棒发生了团聚[7]现象，棒的粗细很不均匀，直径介于100～400 nm之间，直径在300 nm的纳米棒数量多一些。

图1(c)中，由于导电玻璃的导电面向上放置，导电玻璃上生长了一层花簇状结构[8]，花的形态就像一朵天然的菊花。每一朵都由大量的纳米棒组成，且每一个单独的纳米棒都是顶部呈方形平面的四方形。底部纳米棒阵列为上部3D纳米花提供了形核的位置，它随机生长并最后形成一个流状结构。纳米棒大致有3 μm长,300 nm粗。

图1　1,2,3,4样品的平面、截面SEM

图1(d)中，由于浓度的提高，导致纳米花的生长更加舒展，薄膜的厚度也有了明显的增加，但是形貌几乎是一模一样的。

2.2XRD分析

FTO/TiO2的XRD图谱如图2所示。

对FTO/TiO2纳米棒结构采用X射线衍射仪做了测试，可以很容易地检索到四方的金红石结构的TiO2(JCPDS No.89-4920)。

2.3器件性能分析

四种形貌的TiO2光阳极以硫化镉作为敏化剂，硫化铜[9]作为反电极，电解液为多硫电解液，所做成的太阳能电池的I/V曲线测试结果如图3所示。

图2　FTO/TiO2的XRD图

图3　样品1,2,3,4的I/V曲线图

样品1和样品2形貌相似，由图3可以看出样品1的短路电流和开路电压都稍稍高于样品2，这是由于样品1纳米棒的直径比较小，分布比较均匀，从而导致样品1的比表面积要大于样品2，使得样品1可以吸附更多的硫化镉量子点，提高了电池对太阳光的吸收能力。

样品3和样品4形貌相似，由于样品4的钛酸四丁酯前驱体浓度高于样品3，使得样品4在水热合成的液相中成核速度和数量远大于样品3，在形貌几乎一样的情况下，样品4的厚度要大于样品3，导致载流子的迁移距离太大，提高了电子与空穴的复合几率，导致效率略微有点下降。

具体参数见表2。

表2　具体参数

综合样品1、2、3、4在表2中的具体参数来看，由于样品1制备的纳米棒阵列直径均匀，长度适中，所以获得了相对比较大的比表面积，这有利于CdS量子点的沉积，均匀一致的纳米棒也为载流子的运动提供了便利的通道，从而降低了载流子和空穴的复合几率，综合以上各种因素，样品1制作的电池获得了最高的短路电流7.493 mA/cm2，以及最高的光电转换效率2.03%，得出了样品1最适合用来制作光阳极的结论。

3结语

1)前驱体钛酸四丁酯的浓度和导电面的放置方向直接影响TiO2[10]薄膜的形貌。

2)当钛酸四丁酯的量为0.5 mL时所制备的TiO2形貌比较好，效率也比较高。

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The influence of different TiO2nanorods to the effiency of quantum dot sensitized solar cell

GAO Qiqian1,2,DUAN Liangsheng1,2,WANG Peng1,ZHANG Xueyu1,2,LYU Wei1,2*

(1.School of Materials Science and Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China;2.Advanced Institute of Materials Science, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

Abstract：In present work, combining the material preparation and device-producing process, we investigated the effect of different factors on efficiency of TiO2-nanorod based quantum dot sensitized solar cells (QDSSCs) and optimized the producing process. Single crystal TiO2nanorods are directly grown vertically on transparent conducting glass by a facile hydrothermal method followed by deposition of CdS QDs layer on the TiO2surface via a successive ionic layer adsorption. The effect of synthesis parameters on nanorod morphology and solar efficiency are discussed. Based on the results, the best preparation parameters are shown as followed: 15 mL concentrated hydrochloric acid, 15 mL deionized water, 150 ℃.

Key words：titanium dioxide; hydrothermal synthesis; nanorod; quantum dot sensitized solar cells.

收稿日期：2015-09-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61376020)； 吉林省自然科学基金资助项目(20130101009JC)； 长春市科技局资助项目(C2014030709MA)

作者简介：高其乾(1990-)，男，汉族，山东省临沂人，长春工业大学硕士研究生，主要从事量子点敏化太阳能电池方向研究,E-mail:963025441@qq.com. *通讯作者：吕威(1977-)，男，汉族，吉林白城人，长春工业大学教授，博士，主要从事太阳能转化利用方向研究,E-mail:lvwei@ccut.edu.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.18

中图分类号：O 471

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)03-0298-04