利用SERS光谱对金属—染料—半导体DSSC体系中电荷转移过程的研究

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自染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)问世以来,人们一直从增加吸光能力、促进更大程度的电荷转移(Charge-transfer,CT)过程两方面不断提升这一高效、低价电池的效率。本论文利用表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)光谱具有监测CT过程的特性,以DSSC光阳极上常见的材料构建适合利用SERS光谱研究CT过程的半导体-染料-金属体系,成功建立了一种利用SERS光谱对金属-染料-半导体DSSC结构中CT过程的研究方法,这无论是对于理解其中CT过程,还是对于今后提高电池效率,都至关重要。本论文创新成果如下:(1)利用SERS光谱对Ag/N719/n-TiO2体系中CT过程进行研究。通过改变体系中TiO2层数、调节激发光波长等方法,明确了CT过程改变了SERS光谱的哪些部分,成功建立起以金属-N719-半导体为基底的DSSC体系中SERS光谱与CT过程之间的桥梁,并在此方法的基础上进行后续研究(2、3、4)。(2)探究Ag对于TiO2/N3/Ag结构CT过程的影响。实验结果显示,Ag的等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)效应可以增强该体系的光学吸收、拓宽光响应范围。此外,Ag的费米能级为CT提供一个新的路径,这在增强电荷转移度(ρCT)的同时将CT阈值由2.071 e V(TiO2/N3)降低至1.877 e V(TiO2/N3/Ag)。最后,讨论了TiO2煅烧温度的差异对于TiO2/N3/Ag体系CT过程的影响。(3)探究ZnO-TiO2异质结对于ZnO-TiO2/N3/Ag结构CT过程的影响。ZnO、TiO2之间存在的由CT诱导的协同效应可以促进该体系中电子-空穴分离从而提高DSSC的CT效率。此外,Ag也会参与到ZnO、TiO2之间的CT过程中从而降低诱导协同效应的CT阈值。(4)探究Au核对于Au@Ag/N3/n-TiO2结构中CT过程及其阈值的影响。实验结果显示,Ag壳层中的Au核可以使能级重新排布形成较低的Au@Ag/TiO2复合物能级,从而降低有关于TiO2的CT阈值。最后,讨论了Au:Ag比值对于Au@Ag/N3/n-TiO2结构中CT过程的影响。
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