Композитные фотоаноды ZnO@SnO2 для сенсибилизированных красителями солнечных элементов

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14523 (2015) Цитировать эту статью

3689 Доступов

50 цитат

Подробности о метриках

Концепция слоистых мультиоксидов была применена для изготовления фотоанодов для сенсибилизированных красителями солнечных элементов на основе ZnO и SnO2, используя полезные свойства каждого оксида. Было исследовано влияние различных комбинаций слоев ZnO@SnO2 с целью использования высокой подвижности носителей заряда, обеспечиваемой ZnO, и более высокой стабильности под УФ-облучением, обеспечиваемой SnO2. Биоксидные фотоаноды показали гораздо лучшие результаты с точки зрения эффективности фотопреобразования (PCE) (4,96%) по сравнению с чистыми SnO2 (1,20%) и ZnO (1,03%). Синергетическое взаимодействие эффективно как для напряжения холостого хода, так и для плотности фототока: действительно были зафиксированы повышенные значения для слоистого фотонода по сравнению с голыми оксидами (Voc увеличился с 0,39 В в случае чистого SnO2 до 0,60 В, а Jsc улучшился с 2,58 мА/см2, что соответствует до одиночного ZnO ​​до 14,8 мА/см2). Улучшение функциональных характеристик слоистой сети было обусловлено оптимизацией как высокой химической емкости (обеспечиваемой SnO2), так и низкого сопротивления рекомбинации (гарантируемого ZnO), а также ингибирования обратного переноса электронов из зоны проводимости SnO2 к окисленным частицам электролита. . По сравнению с ранее сообщенными результатами, это исследование свидетельствует о том, насколько простая конструкция электродов способствует улучшению функциональных характеристик конечного устройства.

Сенсибилизированные красителями солнечные элементы (DSSC) вызвали значительный интерес с 1991 года, после публикации новаторского исследования О'Ригана и Гратцеля1. Эти фотоэлектрохимические элементы обещают стать эффективной альтернативой фотоэлектрическим элементам (PV) на основе кремния благодаря их низкой стоимости (как в отношении применяемых материалов, так и в отношении процессов изготовления) и уменьшенному воздействию на окружающую среду2,3,4. Хотя их характеристики ниже (эффективность фотопреобразования не превышает 14%), чем у традиционных PV5, из-за внутреннего ограничения в транспортировке заряда усилия, направленные на улучшение устройств, не были уменьшены.

Наиболее изученная система использует толстую пленку (12–18 мкм) наночастиц (НЧ) TiO2 в качестве фотоанода, но определенный интерес сосредоточен и на других потенциально подходящих полупроводниковых оксидах металлов, таких как ZnO, SnO2, Nb2O5 и WO3 6,7. ,8,9,10,11. Среди них ZnO и SnO2 являются наиболее привлекательными кандидатами из-за их более высокой подвижности электронов по сравнению с TiO212,13 и особых преимуществ, таких как ширина запрещенной зоны ZnO и расположение зон, энергетически аналогичное TiO214, а также большая запрещенная зона (3,8 эВ против 3,2 эВ) SnO2 по сравнению с TiO2, что должно гарантировать более высокую стабильность при УФ-облучении15. Однако до сих пор производительность устройств, зафиксированная с применением этих оксидов, была ниже, чем у наночастиц TiO2: эти результаты связаны с различными проблемами, связанными с ZnO и SnO2. В отношении ZnO одной из причин, приводимых рядом авторов, является нестабильность этого материала в кислых средах, т.е. длительное погружение ZnO в краситель N719 приводит к образованию на поверхности ZnO слоя комплекса Zn2+-N719, который влияет на скорость инжекции электронов16, хотя и существенно роль в снижении производительности, по-видимому, играет сама инъекция17,18.

В случае SnO2 неудовлетворительные характеристики связаны с процессами рекомбинации и неблагоприятным выравниванием полос оксида относительно нижней незанятой молекулярной орбитали (LUMO) красителя на основе Ru N719, который до сих пор является наиболее широко применяемым красителем в DSSC. что приводит к значительному снижению фотонапряжений19.

Потенциально мощной стратегией преодоления отдельных ограничений ZnO и SnO2 является одновременное применение обоих материалов. Этот подход получил известность после появления в 199999 г. исследования Теннаконе и его коллег20, в котором авторы успешно применили в качестве фотоанода пористую пленку, состоящую из смеси ZnO-SnO2, обладающую чрезвычайно высокой эффективностью фотопреобразования (8%). Этот результат до сих пор сохраняет всю свою ценность, являясь самой высокой производительностью, когда-либо зарегистрированной для DSSC на основе SnO2. Однако, несмотря на несколько попыток, до сих пор никому не удалось воспроизвести этот замечательный результат. Группа Гретцеля изучила модификацию поверхности нанокристаллического SnO2 тонким слоем оксидов различных металлов и пришла к выводу, что значительное улучшение этой конфигурации можно приписать усиленному поглощению красителя (следовательно, генерируемому фототоку) вместе с подавлением рекомбинации заряда от SnO2 к йоду. электролит21. Похожий подход был предложен Забаном и его коллегами22, которые, предположительно, использовали наночастицы core@shell MxOy@SnO2 в поисках привилегированного пути для сбора фотогенерированного заряда. Основная концепция, используемая в этих системах смешанных оксидов металлов, заключается в создании путей с минимально возможной энергией для диффундирующих через фотоаноды электронов путем создания более благоприятного выравнивания полос внутри всей системы (краситель/оксид металла 1/оксид металла 2). Это также является основной причиной обычно принятой практики нанесения слоя TiO2 на анод SnO2 посредством обработки TiCl4.