Ag2Se量子点共敏化固态染料敏化太阳能电池光电性能研究

杨英, 潘德群, 张政, 陈甜, 韩晓敏, 张力松, 郭学益



Ag2Se量子点共敏化固态染料敏化太阳能电池光电性能研究

杨英1,2,3, 潘德群1,2,3, 张政1,2,3, 陈甜1,2,3, 韩晓敏1, 张力松1, 郭学益1,2,3

(1. 中南大学 冶金与环境学院, 长沙 410083; 2. 有色金属资源循环利用湖南省重点实验室, 长沙 410083; 3. 有色金属资源循环利用湖南省工程研究中心, 长沙 410083)

采用水相共沉积法制备Ag2Se量子点(QDs), 并与染料共敏化制备固态染料敏化太阳能电池(DSSCs)。考察了Ag2Se量子点不同敏化方式(TiO2/N719/QDs, TiO2/QDs/N719)及敏化时间(0~5 h)对DSSCs性能的影响。通过透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光谱图(UV-Vis)对Ag2Se量子点结构及光学性质进行了表征; 采用光调制光电流/电压谱(IMPS/VS)以及交流阻抗谱(EIS)对器件中载流子传输过程进行了研究。TiO2/QDs/N719的电池器件比TiO2/ N719/QDs具有更高的单色光量子转化效率(IPCE)及光电转化效率, 这是由于TiO2/QDs/N719可以吸附更多的量子点和染料。随着Ag2Se量子点敏化时间的延长, 光电转化效率先提高后降低, 最高达到3.97%。Ag2Se量子点在器件中起到了阻挡层作用, 可以促进电子传输, 抑制电子-空穴复合。而随着量子点敏化时间超过2 h, 电子陷入陷阱的几率增加, 导致器件的光伏性能下降。

Ag2Se量子点; 水相共沉积法; 共敏化; 染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池(DSSCs)虽然以低廉的价格, 环境友好的特点而备受青睐, 但是发展至今, 光电转换效率一直难以突破瓶颈[1-4]。近年, 量子点作为一种独特的敏化剂, 具有带隙可调[5-6]、吸收系数高[7]和多激子效应[8]等优点, 可代替有机染料进行光阴极或光阳极敏化, 提升光电效率。量子点太阳能电池(QDSSCs)的理论光电转化效率高达44%, 突破了Shockley-Queisser的31%的效率极限[9], 目前基于液态电解质的QDSSCs最高光电转换效率已达11.6%[10]。

由于量子点性能优异, 一些科研工作者将量子点引入DSSCs中, 进行量子点和染料的双重敏化, 可以进一步提高DSSCs的光电转换效率[11-14]。目前量子点主要用连续离子沉积法(SILAR)、化学浴沉积(CBD)以及非原位法(包括连接剂辅助吸附和直接吸附)敏化光阳极[15]。SILAR和CBD的劣势是难以控制量子点的形貌和粒径, 非原位法则没有类似的缺点。Ag2Se量子点在可见光和近红外区域吸光性能优异[16], 有多种合成方法可供选择, 如溶剂热法[17]、热注射法[18]等, 但这些方法需要高温或者高压, 合成方法复杂且要用到有毒试剂。本课题组利用水相共沉积法制备粒径可控的Ag2Se量子点, 该方法操作简单, 无毒无害。本课题组前期制备了不同粒径的Ag2Se量子点, 采用直接吸附法制备器件[19], 测试电池性能表明Ag2Se量子点作为DSSCs的敏化剂和阻挡层可以有效提高器件的光电性能。本研究在此基础上, 进一步系统地研究了Ag2Se量子点的不同敏化方式和不同敏化时间对固态量子点/染料共敏化太阳能电池的影响, 用光调制光电流谱、光调制光电压谱和电化学阻抗分析电子传输和电荷复合情况。

1 实验方法

1.1 实验试剂

TiO2片子(膜厚12 μm); N719染料(二-四丁铵-双(异硫氰基)双(2,2¢-联吡啶-4,4¢-二羧基)钌(II)); 硝酸银 (AgNO3, 99.99%); 氨水 (NH3·H2O, 98%); 聚乙烯吡咯烷酮(PVP, 99.99%); 亚硫酸钠(Na2SO3, 99.99%); 硒粉(Se, 99.99%); 巯基丙酸(3-MPA, 99.99%); 无水乙醇(C2H5OH, 99.99%)。

1.2 制备Ag2Se量子点

1.2.1 合成Na2SeSO3

将0.8 g单质硒粉、3.8 g亚硫酸钠和50 mL去离子水加入单口瓶中, 在磁力搅拌下于90℃加热回流反应12 h, 得到澄清透明溶液, 避光保存。取少量Na2SeSO3溶液稀释至2 mmol/L备用。

1.2.2 制备Ag2Se量子点溶液

向三口瓶中依次加入5 mL 4 mmol/L AgNO3溶液, 0.5 mL 3-MPA, 磁力搅拌 10 min, 加入1 mL 1.5 g/L的 PVP 溶液, 用NH3·H2O调节溶液pH至10.2~10.5后, 迅速加入5 mL 2 mmol/L的Na2SeSO3溶液, 继续搅拌得到棕黄色透明的 Ag2Se 量子点反应液。加入异丙醇, 离心分离, 将产物分散到5 mL无水乙醇中, 得到2 mmol/L的Ag2Se量子点溶液。

1.3 组装DSSCs器件

制备不同敏化方式的光阳极: 在N719染料的乙醇溶液(0.4×10–3mol/L)中浸泡24 h, 标记为TiO2/dye; TiO2片子依次在Ag2Se量子点溶液和N719溶液中浸泡1和24 h, 标记为TiO2/QDs/dye; TiO2片子依次在N719溶液和量子点溶液中浸泡24和1 h, 标记为TiO2/dye/QDs。

制备不同量子点敏化时间的光阳极: TiO2片子首先在Ag2Se量子点中各浸泡1、2、3、4或5 h, 然后在N719染料中浸泡24 h。

制备电解质: 将0.4062 g琼脂糖加入到20 g-甲基吡咯烷酮(NMP)中, 80 ℃水浴恒温搅拌4 h, 再加入0.2582 g I2和0.1361 g LiI, 常温搅拌4 h后得到电解质[20-21]。

器件组装: 所制备的共敏化光阳极均滴加琼脂糖基聚合物固态电解质, 80 ℃烘烤45 min后, 盖上Pt对电极, 在干燥箱中65 ℃干燥1.5 h, 完成器件组装。

1.4 材料和器件的表征

在200 kV进行透射电镜(Tecnai G2 F20 S-Twin)观测。用UV-1800紫外-可见光光度计(岛津公司)测试光阳极的紫外-可见吸收光谱,=400~1100 nm。采用光谱响应测试系统(QE-R)测试入射单色光-电子转化效率(IPCE)。采用CH1604D电化学工作站和太阳光模拟测量电池的-曲线, 所用光源为氙灯(AM1.5, 100 mW/cm2), 其中模拟光通过标准二极管(Si 1708)校准, 器件的测试面积为0.25 cm2。用可控强度调制光谱仪进行强度调制光电流谱/光电压谱(IMPS/IMVS)以及电化学阻抗谱(EIS)测试。IMPS和IMVS测试条件: 光源为=627 nm的红光LED, 稳态光的光照强度为10 mW/cm2, 正弦调制光的振幅为背景光强的10%, 频率范围10–1~103Hz。EIS 的测试条件: 交流扰动信号的振幅为10 mV, 偏压为–0.8 V, 频率范围10–1~105Hz。

2 结果与讨论

2.1 Ag2Se量子点的表面形貌分析

图1(a)所示是水相共沉积法制备的Ag2Se量子点的透射电镜照片(TEM), 从图中可以看出, Ag2Se量子点颗粒均匀、分散性好、团聚现象较少, 具有规则统一的球形颗粒形貌。图1(b)是200个Ag2Se量子点的粒径统计图, 从图中可以看出粒径主要分布在6~15 nm, 集中在~8 nm, 与平均尺寸8.51 nm相吻合。高分辨透射电镜照片(图1(c)和(d))显示了Ag2Se量子点的晶格条纹, 晶面间距为0.24 nm, 对应-Ag2Se相的(013)面[22-23]。

图2(a)是Ag2Se量子点分散在无水乙醇中的紫外-可见光谱图, (b)是相应的Tauc图谱, 计算得到Ag2Se量子点(8.51 nm)的禁带宽度为1.65 eV, 测试结果与粒径大于10 nm的Ag2Se块体材料(0.07~ 0.15 eV)不同, 这是由于Ag2Se量子点禁带宽度受到了量子点粒径大小的影响[24-26]。

图1 Ag2Se量子点的(a)透射电镜照片, (b)粒径分布直方图, (c)高分辨透射电镜照片和(d)放大高分辨透射电镜照片

图2 (a) Ag2Se量子点乙醇溶液的紫外-可见光谱图; (b)相应的Tauc图谱

2.2 不同敏化方式的DSSCs表征

优先染料敏化还是优先量子点敏化直接改变TiO2光阳极的光谱响应, 进而影响器件的光电效率。图3(a)是不同敏化方式光阳极的紫外-可见光吸收谱图。由图可以看出, TiO2/QDs/dye的吸收强度优于TiO2/dye和TiO2/dye/QDs, 说明依次用量子点和染料吸附的光阳极有利于增强器件对太阳光的吸收, 并且TiO2/dye比TiO2/dye/QDs着色更深, 这是因为N719中的COO–和COOH以氢键和二齿桥接键合到TiO2[27], 当TiO2薄膜吸附了足够的N719再浸泡到Ag2Se量子点的乙醇溶液中会发生脱附, 留下空位可以吸附表面带有巯基[28-29]的Ag2Se量子点。由于Ag2Se量子点对光的吸收强度低于N719染料, 所以TiO2/dye/QDs光阳极的光谱吸收强度弱于TiO2/dye的光谱吸收强度; 而对于TiO2/QDs/dye光阳极, Ag2Se量子点的粒径小于TiO2, 导致光阳极比表面积增加, 由于染料可以吸附于TiO2以及Ag2Se量 子点上, 所以染料的吸附量比在单纯的TiO2光阳极上更多, 促使TiO2/QDs/dye具有更优良的光谱吸收强度[30]。

图3(b)是不同Ag2Se量子点敏化方式的太阳能电池的-特性曲线, 由此得到开路电压oc, 短路电流密度sc, 填充因子, 光电转换效率(表1)。TiO2/QDs/dye的oc明显高于TiO2/dye, 从0.69 V提高到0.74 V,sc从8.78 mA·cm–2提高到9.18 mA·cm–2,由2.96%提升到3.59%, 说明量子点先于染料吸附的光阳极有助于提升器件的光电转换效率。而对于TiO2/dye/QDs, 由于Ag2Se量子点溶液使光阳极上的N719染料脱附, 短路电流降低, 所以TiO2/dye/ QDs器件的光电转换效率较TiO2/dye低。

图4是不同Ag2Se量子点敏化方式的太阳能电池IPCE曲线, 从图中可以发现TiO2/QDs/dye器件在波长400~750 nm波长范围内均高于TiO2/dye, 进一步证明Ag2Se量子点有利于提高器件的光电转化性能, 从而拥有较高的短路电流; 而TiO2/dye/QDs器件的IPCE最低, 这是由于N719脱附导致器件吸光性能减弱,sc降低。

图3 (a)不同敏化方式光阳极的紫外-可见吸收光谱分析, 插图为光阳极照片; (b)不同敏化方式DSSCs的J-V曲线

表1 不同敏化方式的光电参数

图4 不同敏化方式的太阳能电池IPCE曲线

2.3 Ag2Se量子点不同敏化时间的固态基量子点-染料共敏化太阳能电池

TiO2光阳极在量子点溶液中浸泡的时间直接影响量子点吸附密度, 进而影响器件的光伏性能。图5(a)是Ag2Se量子点和染料共敏化固态基太阳能电池的结构示意图, 其中量子点和染料可一起作为光吸收剂。图5(b)是器件各组成部分的能带图, 由文献[13]可知电解质和N719染料的能带数据, 根据图2(b)的吸收光谱Tauc数据可计算Ag2Se量子点禁带宽度是1.65 eV, 导带位置为-2.5 eV[19], 由此推算其价带位置为-4.15 eV, 高于TiO2导带, 这有利于Ag2Se量子点激发的电子传输到TiO2, 同时能有效阻 止TiO2中电子与电解质产生复合, 从而提升器件 的oc。

Ag2Se量子点的敏化时间直接影响TiO2光阳极吸附密度, 从而导致吸收光谱的变化, 图6(a)是TiO2/QDs、TiO2/dye、TiO2/QDs/dye的紫外-可见吸收光谱图, 结果表明TiO2/QDs/dye光阳极有利于对太阳能谱的吸收。图6(b)是TiO2光阳极在Ag2Se量子点中浸泡1、2、3、4或5 h的紫外-可见吸收光谱图, 随着TiO2光阳极在Ag2Se量子点中浸泡时间的延长, TiO2光阳极上吸附的Ag2Se量子点密度增加, 导致吸收光谱的强度逐渐增强。

图5 固态基Ag2Se量子点和染料共敏化太阳能电池的(a)结构示意图和(b)能带机理图

图6 (a)Ag2Se量子点敏化、N719敏化以及Ag2Se/N719共敏化光阳极的紫外-可见吸收光谱图; (b)Ag2Se量子点敏化不同时间的光阳极的紫外-可见吸收光谱图

图7是纯Ag2Se量子点敏化太阳能电池和量子点不同敏化时间的共敏化太阳能电池的-曲线, 其性能参数如表2所示。结果表明纯Ag2Se量子点敏化器件的相当低, 这是因为I–/I3–电解质容易引起量子点的光降解和腐蚀, 不适用于量子点敏化太阳能电池[31-33]。但Ag2Se量子点引入DSSCs后,从2.96%提高到3.97%。一方面Ag2Se量子点敏化时间的延长, TiO2光阳极吸附的Ag2Se量子点的负载量增加, 导致光生电子增加; 另一方面Ag2Se量子点作为阻挡层可以增强电子传输性能, 抑制电子空穴的复合, 有效控制器件的暗反应, 使sc增大[34], 从8.78 mA∙cm–2提高到9.53 mA∙cm–2, 光电性能得到明显的提升。但当量子点敏化时间进一步延长时, 随着量子点密度增大, 电子的复合中心也同时增多, 导致电子陷入陷阱的几率增加,sc慢慢降低[35]。由于电解质相同, 到多孔膜的渗透性能相同, 所以变化不大[21]。此外, 器件的oc取决于电解质氧化还原电位和半导体的费米能级, 但是Ag2Se量子点作为阻挡层与TiO2亲密接触, 引起半导体费米能级变化, 相比于纯染料敏化器件oc得到明显提升[36-37]。

图7 纯Ag2Se量子点敏化太阳能电池和Ag2Se量子点敏化不同时间的共敏化太阳能电池J-V曲线

表2 Ag2Se量子点敏化不同时间的共敏化太阳能电池光电参数

图8(a)是Ag2Se量子点敏化不同时间的共敏化太阳能电池器件的Nyguist交流阻抗图谱, 图中给出了等效电路图以及依据该等效电路做的拟合曲线(ZSimDemo)。DSSCs的奈奎斯特电化学阻抗图谱由高频段、中频段和低频段的三个半圆弧组成。高频段的阻抗代表电池中Pt对电极与电解质溶液界面间的氧化还原反应电阻(1); 中频段的阻抗代表电池中TiO2/Dye(Ag2Se)/电解质三相界面处的复合电阻(2); 低频段的阻抗代表离子在电解质溶液中的扩散阻抗(3)。由于使用的电解质和Pt对电极都相同, 所以1和3大致相同[38]。如图8(b)所示, 引入Ag2Se量子点阻挡层后,2明显增大, 说明电子的复合受到抑制, 随着Ag2Se量子点敏化时间的延长,2先升高后降低。这是因为Ag2Se量子点阻挡层阻止了注入的电子与电解质中I3–的复合[39]; 但是随着Ag2Se量子点敏化时间的进一步延长, 光阳极量子点吸附量也逐渐增加, 而增加的量子点会导致电子更易于陷入陷阱, 使复合电阻逐渐降低。oc变化趋势本应该一致, 但是Ag2Se量子点作为TiO2阻挡层使TiO2费米能级发生变化[36-37], 所以即使器件复合电阻2减小, 但oc变化不明显。最终, Ag2Se量子点敏化时间为2 h时, 得到最大oc为0.75 V,为0.55, 此时器件的最佳。

图8 (a) Ag2Se量子点敏化不同时间的共敏化太阳能电池器件的交流阻抗图谱, 插图为等效电路图; (b) R2随Ag2Se量子点敏化时间的变化曲线

图9 Ag2Se量子点敏化不同时间的共敏化太阳能电池器件的(a) IMPS/VS和(b)IMVS图谱

表3 Ag2Se量子点敏化不同时间的共敏化太阳能电池器件的IMPS/VS动力学参数

3 结论

用水相共沉积法合成平均粒径为8.51 nm的Ag2Se量子点, 研究了TiO2光阳极不同敏化方式的染料-量子点共敏化固态太阳能电池, TiO2/Ag2Se/ dye器件比TiO2/dye/Ag2Se具有更加优异的光电性能; 随着Ag2Se量子点敏化时间的延长, 器件光电转换效率先升高后降低, 当TiO2光阳极在Ag2Se量子点中浸泡2 h时, 光电效率最佳, 达到3.97%, 短路电流为9.53 mA·cm–2, 开路电压为0.75 V。TiO2光阳极在Ag2Se量子点中敏化时间较短时, 一方面Ag2Se量子点可以作为吸光层提高光电子产率, 增大器件短路电流; 另一方面Ag2Se量子点作为阻挡层可以有效抑制电子与电解质中I3–复合, 有利于提升器件的性能。而随着Ag2Se量子点敏化时间进一步延长, 电子陷入陷阱的几率增大, 导致短路电流密度下降。

[1] XIE Y S, TANG Y Y, WU W J,. Porphyrin cosensitization for a photovoltaic efficiency of 11.5%: a record for non-ruthenium solar cells based on iodine electrolyte.., 2015, 137(44): 14055–14058.

[2] MATHEW S, YELLA A, GAO P,. Dye-sensitized solar cells with 13% efficiency achieved through the molecular engineering of porphyrin sensitizers.., 2014, 6(3): 242–247.

[3] OZAWA H, YU O, ARAKAWA H. Dependence of the efficiency improvement of black-dye based dye-sensitized solar cells on alkyl chain length of quaternary ammonium cations in electrolyte solutions.., 2014, 15(6): 1201–1206.

[4] KAKIAGE K, AOYAMA Y, YANO T,. Fabrication of a high-performance dye-sensitized solar cell with 12.8% conversion efficiency using organic silyl-anchor dyes.., 2015, 51(29): 6315–6317.

[5] YU W W, PENG X G. Formation of high quality CdS and other II–VI semiconductor nanocrystals in noncoordinating solvents: tunable reactivity of monomers.., 2002, 41(13): 2368–2371.

[6] SARMA D D, NAG A, SANTRA P K,. Origin of the enhanced photoluminescence from semiconductor CdSeS nanocrystals., 2010, 1(14): 2149–2153.

[7] SEOL M, KIM H, TAK Y,. Novel nanowire array based highly efficient quantum dot sensitized solar cell.., 2010, 46(30): 5521–5523.

[8] ELLINGSON R J, BEARD M C,JOHNSON J C,.Highly efficient multiple exciton generation in colloidal PbSe and PbS quantum dots., 2005, 5(5): 865–871.

[9] SCHALLER R D, AGRANOVICH V M, KLIMOV V I. High-efficiency carrier multiplication through direct photogeneration of multi-excitonsvirtual single-exciton states., 2005, 1(3): 189–194.

[10] DU J, DU Z, HU J S,. Zn–Cu–In–Se quantum dot solar cells with a certified power conversion efficiency of 11.6%.., 2016, 138(12): 4201–4209.

[11] JI G, LIU Z, GUAN D,. Ag2S quantum dots and N3 dye co-sensitized TiO2, nanotube arrays for a solar cell.., 2013, 282(10): 695–699.

[12] LIU Y, WANG J. Co-sensitization of TiO2, by PbS quantum dots and dye N719 in dye-sensitized solar cells., 2010, 518(24): E54–E56.

[13] YANG Y, GAO J, ZHANG Z,. Black phosphorus based photocathodes in wide band bifacial dye-sensitized solar cells.., 2016, 28(40): 8937–8944.

[14] GUO X Y, GAO J, ZHANG Z,. Highly efficient interfacial layer using SILAR derived Ag2S quantum dots for solid-state bifacial dye-sensitized solar., 2017, 5: 320–330.

[15] GIMENEZ S, LANA-VILLARREAL T, GOMEZ R,. Determination of limiting factors of photovoltaic efficiency in quantum dot sensitized solar cells: correlation between cell performance and structural properties.., 2010, 108(6): 064310–1–7.

[16] SCHOEN D T, XIE C, CUI Y. Electrical switching and phase transformation in silver selenide nanowires.., 2007, 129(14): 4116–4117.

[17] SAHU A, BRAGA D, WASER O,. Solid-phase flexibility in Ag2Se semiconductor nanocrystals.., 2014, 14(1): 115–121.

[18] ZHU C N, JIANG P, ZHANG Z L,. Ag2Se quantum dots with tunable emission in the second near-infrared window., 2013, 5(4): 1186–1189.

[19] ZHANG Z, YANG Y, GAO J,. Highly efficient Ag2Se quantum dots blocking layer for solid-state dye-sensitized solar cells: size effects on device performances., 2018, 7: 27–36.

[20] YANG Y, YI P, ZHOU C,Magnetic field processed solid- state dye-sensitized solar cells with nickel oxide modified agarose electrolyte., 2013, 243(6): 919–924.

[21] YANG Y, ZHANG Z, GAO J,. Metal-organic materials as efficient additives in polymer electrolytes for quasi-solid-state dye-sensitized solar cells., 2017, 726: 1286–1294.

[22] TIAN Q, DENG D, ZHANG Z,. Facile synthesis of Ag2Se quantum dots and their application in dye/Ag2Se co-sensitized solar cells.2017, 52(20): 12131–12140.

[23] GU Y P, CUI R, ZHANG Z L,. Ultrasmall near-infrared Ag2Se quantum dots with tunable fluorescence forimaging.., 2012, 134(1): 79–82.

[24] PEJOVA B, NAJDOSKI M, GROZDANOV I,. Chemical bath deposition of nanocrystalline (111) textured Ag2Se thin films., 2000, 43(5/6): 269–273.

[25] ANTHONY, PHILIP S. Synthesis of Ag2S and Ag2Se nanoparticles in self assembled block copolymer micelles and nano-arrays fabrication., 2009, 63(9): 773–776.

[26] SIBIYA P N, MOLOTO M J. Effect of precursor concentration and pH on the shape and size of starch capped silver selenide (Ag2Se) nanoparticles., 2014, 11(11): 577–588.

[27] LEE K E, GOMEZ M A, ELOUATIK S,. Further understanding of the adsorption mechanism of N719 sensitizer on anatase TiO2films for DSSC applications using vibrational spectroscopy and confocal Raman imaging., 2010, 26(12): 9575– 9583.

[28] LUO J, WEI H, HUANG Q,. Highly efficient core–shell CuInS–Mn doped CdS quantum dot sensitized solar cells.., 2013, 49(37): 3881–3883.

[29] HU X, ZHANG Q X, HUANG X M,. Aqueous colloidal CuInS2for quantum dot sensitized solar cells.., 2011, 21(40): 15903–15905.

[30] CUI C, QIU Y W, ZHAO J H,A comparative study on the quantum-dot-sensitized, dye-sensitized and co-sensitized solar cells based on hollow spheres embedded porous TiO2photoanodes., 2015, 173: 551–558.

[31] REN F M, LI S J, HE C L. Electrolyte for quantum dot-sensitized solar cells assessed with cyclic voltammetry., 2015, 58(6): 490–495.

[32] SHALOM M, DOR S, RUHLE S,.Core CdS quantum dot/shell mesoporous solar cells with improved stability and efficiency using an amorphous TiO2coating., 2009, 11(9): 3895–3898.

[33] SERO I M, BISQUERT J. Breakthroughs in the development of semiconductor-sensitized solar cells., 2010, 1(20): 3046–3052.

[34] LAN Z, WU W X, ZHANG S,. An efficient method to prepare high-performance dye-sensitized photoelectrodes using ordered TiO2nanotube arrays and TiO2quantum dot blocking layers., 2016, 20(10): 2643–2650.

[35] LI J, LI Z, WANG S,. Great improvement of photoelectric property from co-sensitization of TiO2electrodes with CdS quantum dots and dye N719 in dye-sensitized solar cells.., 2013, 48(7): 2566–2570.

[36] XU B, WU J H, ZHANG X K,. The influence of blocking layer on the photovoltaic properties of dye-sensitized solar cells., 2008, 39: 1703–1709.

[37] LELII C, BAWENDI M G, BIAGINI P,. Enhanced photovoltaic performance with co-sensitization of quantum dots and an organic dye in dye-sensitized solar cells., 2014, 2: 18375–18382.

[38] GAO J, YANG Y, ZHANG Z,. Bifacial quasi-solid-state dye-sensitized solar cells with poly (vinyl pyrrolidone)/polyaniline transparent counter electrode., 2016, 26: 123–130.

[39] ELBOHY H, THAPA A, POUDEL P,Vanadium oxide as new charge recombination blocking layer for high efficiency dye-sensitizedsolar cells., 2015, 13: 368–375.

[40] YANG Y, WANG W. Effects of incorporating PbS quantum dots in perovskite solar cells based on CH3NH3PbI3.,2015, 293: 577–584.

[41] LAGEMAAT J V D, FRANK A J. Nonthermalized electron transport in dye-sensitized nanocrystalline TiO2films: transient photocurrent and random-walk modeling studies., 2001, 105(45): 11194–11205.

[42] OEKERMANN T,ZHANG D, YOSHIDA T,.Electron transport and back reaction in nanocrystalline TiO2films prepared by hydrothermal crystallization., 2004, 108(7): 2227–2235.

[43] ZHU K, NEALE N R, MIEDANER A,Enhanced charge-collection efficiencies and light scattering in dye-sensitized solar cells using oriented TiO2nanotubes arrays.., 2007, 7(1): 69–74.

Photovoltaic Performance of Ag2Se Quantum Dots Co-sensitized Solid-state Dye-sensitized Solar Cells

YANG Ying1,2,3, PAN De-Qun1,2,3, ZHANG Zheng1,2,3, CHEN Tian1,2,3, HAN Xiao-Min1, ZHANG Li-Song1, GUO Xue-Yi1,2,3

(1. School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Hunan Key Laboratory of Nonferrous Metal Resources Recycling, Changsha 410083, China; 3. Hunan Engineering Research Center of Nonferrous Metal Resources Recycling, Changsha 410083, China)

Ag2Se quantum dots (QDs) was synthesized by co-deposition method which was further applied as co-sensitizer in solid-state dye-sensitized solar cells (DSSCs). The effects of different sensitization methods of Ag2Se QDs (TiO2/N719/QDs, TiO2/QDs/N719) and sensitization time (0-5 h) on the performance of QDs/dye co-sensitized solar cells were studied. Structure and optical properties of Ag2Se QDs were characterized by transmission electron microscopy (TEM) and ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis). Furthermore, the transmission of charge carriers of solar cell devices was characterized by photo-modulated photocurrent/voltage spectrum (IMPS/VS) and electrochemical impedance spectra (EIS). It was found that the device with TiO2/QDs/N719 showed higher incident photon-to-current efficiency (IPCE) and photoelectric efficiency than those of TiO2/N719/QDs, which was due to the fact that TiO2/QDs/N719 photoanode adsorbed more QDs and dyes. With the extension of Ag2Se QDs sensitization time, the photovoltaic properties of DSSCs firstly ascended and then descended, achieving the highest photoelectric conversion efficiency 3.97%. The incorporation of Ag2Se QDs could effectively promote the electron transport and inhibit the electron-hole recombination, which benefited from a blocking layer that QDs served in device. As sensitization time prolonged over 2 h, the photovoltaic performances of device deteriorated, which was attributed to the augmented trap sites in Ag2Se QDs layer.

Ag2Se quantum dots; co-deposition method; co-sensitized; dye-sensitized solar cell

TM914

A

1000-324X(2019)02-0137-08

10.15541/jim20180233

2018-05-17;

2018-09-20

国家自然科学基金(61774169); 中南大学创新驱动计划项目(2016CX022); 留学回国基金资助以及湖南省自然科学基金(2016JJ3140); 中南大学研究生创新项目(1053320170116, 1053320170565); 中南大学本科生创新项目(cx20170271, 201710533300) National Natural Science Foundation of China (61774169); Third Innovation Driven Project of Central South University (2016CX022); Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholar, Natural Science Foundation of Hunan (2016JJ3140); The Projects of Innovation for Graduate Student of Central South University (1053320170116, 1053320170565); The Projects of Innovation for Undergraduate Student of Central South University (cx20170271, 201710533300)

杨英(1980–), 女, 副教授. E-mail: muyicaoyang@csu.edu.cn

郭学益, 教授. E-mail: xyguo@csu.edu.cn