夹心型硅钨酸盐修饰的TiO2纳米微球在DSSCs光阳极中的应用

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如今地球上人口密度与日俱增,能源紧缺的问题愈来愈严峻,新型能源的开发与利用成为重中之重。因此,多种多样的光能转化器件被研发并投入应用,染料敏化太阳能电池(DSSCs)的研究就是其中的一项重要分支。利用光能将电子传输到外电路中的光阳极是DSSCs的重要组成部分,提升光阳极的吸光性能,促进电子传输并抑制电子复合会明显地提升电池的光电性能。多金属氧酸盐(POMs)拥有优异的稳定性与光电性质,通过合成或挑选出合适能级的POMs,如最低占有轨道能级低于半导体的POMs,使其作为电子受体,可有效提升光阳极的性能。本文选取了三种夹心型硅钨酸盐用于与TiO2的复合,夹心型多酸具有更多的活性位点,而且四夹心的多酸具有多个过渡金属核,具有较好的光学与催化性能。首次制备了夹心型硅钨酸盐修饰的TiO2纳米微球,所得复合材料被用于制备DSSCs的光阳极,有效提高了电池性能。本工作研究过程如下:1.利用钛酸异丙酯的水解制备了TiO2纳米微球,通过红外与紫外光谱、扫描电镜、表面光电子能谱与X射线光电子能谱等表征手段,对复合材料进行了表征。当微球尺寸在50nm左右时,Ti O2光阳极效率最优,高于P25基底的光阳极。所以不同于以往文献记载的将前驱体先与P25复合的方法,我们将夹心型多酸与自制的TiO2复合,直接应用于DSSCs的光阳极中。2.将夹心型多酸掺杂到TiO2中,分别制备了含不同质量分数多酸的光阳极材料,用于探索能获得最佳效率的多酸含量。通过系列电化学表征,证明了当多酸质量分数为0.8%时可获得最优效率。在多酸含量为0.8%的三种光阳极中,对比得出提升电池效率效果最好的光阳极材料为K6Na2Ni2[Ni4(H2O)2(SiW9O34)2]·30H2O(Ni4)修饰的Ti O2微球。3.0.8%Ni4@TiO2光阳极电池的Jsc为18.79 mA·cm-2,Voc是0.71V,FF是0.595效率达到7.94%,比自制的TiO2光阳极电池效率(6.01%)提升了32%。在三种夹心型多酸中,用0.8%Ni4修饰的TiO2制成的光阳极使DSSCs的光电转化效率提升最高,且有较长的电子寿命(28 ms),该多酸的能级被表征与研究,结果表明Ni4是很好的电子受体,能有效的抑制电子复合。
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