荧光光子晶体背反射层增强染料敏化太阳能电池效率

戴广超 ，魏来，马晓飞 ，王建颖 ，马鹏常

(1.湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062; 2.武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205；3.中山职业技术学院，广东 中山 528400)



荧光光子晶体背反射层增强染料敏化太阳能电池效率

戴广超1，魏来2，马晓飞1，王建颖1，马鹏常3

(1.湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062; 2.武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205；3.中山职业技术学院，广东 中山 528400)

二氧化硅胶体;碳点；光子晶体；背反射层

0 引言

多功能光子晶体特别是荧光光子晶体由于其独特的性能，例如光子禁带、荧光等，在过去的十年里吸引了学者们的广泛兴趣[1].一般来说，有两种方法制备荧光光子晶体薄膜：一种是直接填充有机染料、量子点等荧光物质到光子晶体的间隙中，从而形成复合的荧光光子晶体结构[2-9]；另一种方法是荧光光子晶体微球直接组装形成荧光光子晶体薄膜[10-19]. 相对而言，每种方法都有其缺点，对于第一种方法，荧光物质的引入会影响薄膜的反射强度以及结构色彩；第二种方法受制于单分散荧光复合胶体微球的合成.目前，荧光物质比如有机染料、无机纳米晶体量子点已经应用于制备荧光光子晶体薄膜，但是这种方法有制备复杂、有毒等明显的缺点，限制了其进一步的应用.最近，一种新型的有机荧光物质—碳点被引入到这种方法，碳点表现出很好的荧光稳定性、生物相容性、易合成、无毒等特点.然而，只有很少的报道有关于碳点基荧光光子晶体薄膜，尤其是其在染料敏化太阳能电池背反射层方面鲜有研究.

在本文中，我们通过单分散二氧化硅胶体和碳点的共组装制备一种新型的荧光光子晶体薄膜.通过垂直沉积法制备的荧光光子晶体薄膜表现出很多的优点，例如：简易操作，制备碳点的周期短，荧光光子晶体具有很好的结晶性.制备的荧光光子晶体不仅表现出鲜艳的结构色彩，也具有很好的荧光性能.因此，碳点基荧光光子晶体薄膜能够被应用于增强染料敏化太阳能电池的利用效率，为先进光学材料的发展开辟了一条新的道路.

1 实验部分

碳点通过水热法合成[17].单分散二氧化硅胶体[20]用Stöber法来制备.碳点在紫外光激发下可以发射蓝光荧光，光子晶体对其相匹配的频率的光有增强作用，因此，蓝色光子晶体将起到增强碳点荧光作用，本文中制备的二氧化硅微球粒径控制在180 nm 左右，从而可以得到蓝色光子晶体薄膜.将一定量的二氧化硅胶体与制备好的碳点溶液混合，离心后得到复合微球，醇洗三次.超声分散二氧化硅复合微球，将复合微球的均匀分散液转移到5 mL玻璃瓶中.将王水处理过的玻璃片垂直插入到小瓶中，放置在45 ℃烘箱中，待乙醇完全挥发完毕，碳点基荧光光子晶体薄膜可以制备出来.

碳点和二氧化硅的形貌可以通过透射电子显微镜(FEI TECNAI G20, USA)表征出来.X线光电子能谱(PHOIBOS150, Germany)可以测得碳点基荧光光子晶体的表面元素.碳点基光子晶体薄膜的微结构可以通过扫描电镜(JSM7100F Japan)测得.用普通的相机拍摄碳点基荧光光子晶体在的照片.用光纤光谱仪(USB4000, Ocean Optics Inc.)测得碳点基光子晶体薄膜的反射光谱.碳点溶液和碳点基荧光光子晶体薄膜的荧光光谱可以通过荧光光谱仪(PE LS-55 USA)测得.染料敏化太阳能电池(优选 中国)的透射光谱通过紫外可见分光光度计(UV3600, Shimadzu Company, Japan)测得.染料敏化太阳能电池的转化效率在1.5 M模拟太阳光、强度为100 mW/cm2(solar simulator(Oriel, model 91192-1000)、IM6电化学工作站(ZAHNER, Germany)测得.

2 结果与讨论

图1 碳点(a)的TEM图片(插图是碳点水溶液在365 nm紫外灯下的光学照片)和不同激发光下碳点溶液(b)的荧光光谱图

粒径在180 nm左右的单分散二氧化硅胶体可以通过经典Stöber法获得.如图2a所示，二氧化硅胶体具有很好的单分散性，因此制备的光子晶体薄膜具有很好的光学性能.如图2b所示，单分散二氧化硅胶体和碳点共组装的光子晶体薄膜SEM结果表明其在面心立方的(111)面上紧密排列.如图2c所示，荧光光子晶体有单一的反射峰和鲜艳的蓝色结构色彩.表明碳点的填充并未影响光子晶体的晶体结构.如图2d所示，XPS数据表明碳点基荧光光子晶体薄膜主要由四种化学元素组成：硅(23.5%)，碳(22.8%)，氮(2.5%)，氧(51.1%).相反地，没有碳点负载的光子晶体薄膜仅只有硅、碳、氧三种元素，而没有氮元素的存在.只有碳点的前驱体乙二胺可以提供氮元素，因此可以证明碳点基光子晶体薄膜的成功制备.

图2 粒径为180 nm的单分散二氧化硅胶体(a)的TEM图、荧光光子晶体薄膜(b)的SEM图、光子晶体和荧光光子晶体薄膜(c)的反射光谱(插图是荧光光子晶体的光学图片)和光子晶体和荧光光子晶体(d)的XPS光谱

图3 碳点基荧光光子晶体(a)在365 nm激发波长下的激发光谱(插图：左边是碳点基荧光光子晶体薄膜在365 nm紫外灯下的光学照片，右边是无碳点的光子晶体薄膜在365 nm紫外灯下的光学照片)和染料敏化太阳能电池(b)的透射光谱

图4 染料敏化太阳能电池(control),光子晶体(PC)和荧光光子晶体(FPC)薄膜做背反射层电池(a)的J-V曲线和碳点基光子晶体作背反射层的染料敏化太阳能电池和光子晶体作背反射层的染料敏化太阳能电池(b)的光电参数

如图3a插图所示，碳点基荧光光子晶体薄膜由于碳点的荧光在紫外灯下呈现蓝色.相反地，没有负载碳点的光子晶体仅仅反射紫外灯的光而显紫色，荧光光子晶体的荧光光谱显示在486 nm左右有明显的荧光峰.为了证明荧光光子晶体能够作为染料敏化太阳能电池的背反射层，图3b表明，我们所用的染料敏化太阳能电池在紫外波段下的透过率是5%，表明部分紫外光会透过电池到背反射层.

如图4所示，碳点基荧光光子晶体作为面积为0.16 cm2染料敏化太阳能电池的背反射层.对比之下，具有荧光光子晶体作背反射层的染料敏化太阳能电池的功率转化效率为4.27%、开路电压0.692 V、短路电流8.912 mA/cm2，具有光子晶体作背反射层的染料敏化太阳能电池的功率转化效率为4.22%、开路电压0.691 V、短路电流8.812 mA/cm2，没有背反射层的染料敏化太阳能电池的功率转化效率为4.01%、开路电压0.668 V、短路电流8.468 mA/cm2.增加背反射层可以提高短路电流和开路电压，碳点基荧光光子晶体薄膜相比于光子晶体薄膜作为背反射层，短路电流由8.812 mA/cm2提高到8.912 mA/cm2，开路电压基本不变.这些结果表明光子晶体禁带效应与碳点的荧光性能的结合可以提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率，为制备和设计先进的太阳能电池背反射层开辟一个新的方向.

3 结论

通过共组装和垂直沉积结合的方法制备一种新型的碳点基光子晶体薄膜.这种方法可以快速制备大面积且结晶性好的荧光光子晶体薄膜，制备过程中不需要繁杂后处理.此外，碳点不会影响自组装和结构色彩，荧光光子晶体不仅具有鲜艳的结构色彩，也表现出良好的荧光性能，因此能够实现多功能光学材料的制备.更重要的是，与没有荧光性能的光子晶体作染料敏化太阳能电池的背反射层对比，荧光光子晶体薄膜作为背反射层可有效提高电流密度和光电转换效率.

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(责任编辑 胡小洋)

Carbon dots-based fluorescent photonic films as back-reflecting layers for efficiency enhancement in dye-sensitized solar cells(DSSCs)

DAI Guangchao1, WEI Lai2, MA Xiaofei1, WANG Jianying1, MA Pengchang3

(1.Faculty of Materials Science and Engineering, Hubei University, Wuhan 430062,China；2.Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205,China；3.Zhongshan Polytechnic,Zhongshan 528400, China)

A novel kind of fluorescent photonic crystal(FPC) films are generated through co-assembly of monodispersed silica colloids and carbon dots(CDs),exhibiting brilliant structural color and good fluorescence simultaneously. The fluorescence spectra of FPC films have been showing a peak at 480 nm. By comparison, the dye-sensitized solar cells(DSSCs) with FPC film show higher power conversion efficiency(PCE)(4.27%) than those of DSSCs without PC film(4.01%). An enhancement ratio of 6.2% in the cell efficiency is achieved.

silica colloids; carbon dots; photonic crystals; back-reflecting layers

2016-10-26

国家自然科学基金(51673060)、湖北省自然科学基金(2015CFB266)和中山市社会公益科技研究项目(2015B2337)资助

戴广超(1993-)，男，硕士生；王建颖，通信作者，副教授，E-mail:jywang@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)04-0343-04

TB324.1

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.04.003