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温度对多硫电解质及量子点敏化太阳能电池性能的影响

发布日期:2017-08-17 来源: 本网 查看次数: 51 作者:admin

核心提示:  染料敏化太阳能电池(DSCs)由于具有制备简单、廉价高效的优点在过去的十几年被广泛研究。12通过制备新材料和新形貌的半导体,3使用设计合成新染料,456制备新的电解质设计新结构的电池7等手段可以提

  染料敏化太阳能电池(DSCs)由于具有制备简单、廉价高效的优点在过去的十几年被广泛研究。12通过制备新材料和新形貌的半导体,3使用设计合成新染料,456制备新的电解质设计新结构的电池7等手段可以提高电池对光的利用率,增加电子收集效率并抑制暗反应,因此可以在一定程度上改善电池的光电性能,提高光电转化效率/)和稳定性。目前,DSCs的转化效率已经达到了11%-12%,8并在较高的温度下(80-85°C)展现了良好的稳定性。8最近,窄带隙的无机量子点(QDs)材料如CdSe、CdS等被尝试作为无机敏化剂用在DSCs上,制作了量子点敏化太阳能电池(QDSCs),这种窄带隙的无机量子点材料和传统的敏化剂相比具有如下优点(1)QDs的带隙可以通过改变颗粒的大小实现可控调节,进而可以调控QDs的光谱响应范围,以达到和太阳光谱良好的匹配;(2)QDs作为无机敏化剂,和传统的敏化剂相比具有高的摩尔消光系数,可以提高太阳光的利爪率;(3)量子点敏化太阳能电池可以利用热电子产牛多个电子空穴对,因此具有更高的理论转化效率(44%),而在传统的DSCs中,这种热电子的能量通过放热而损失掉。正是基于上述的优点,对QDSCs的研究最近成为热点。

  电解质为QDSCs的重要组成部分,目前使用效果最好的电解质是以水为溶剂的多硫电解质/u°在电池工作时,电解质中的多硫离子分别在光阳极和光阴极的表面发生氧化和还原反应,即通过向QDs传递电子实现QDs的再生,并在光阴极接受电子而使电池完成一个完整的循环。因此电解质对电池性能有很大的影响。

  室温条件下,基于多硫电解质的QDSCs已经达到了大于4%的转化效率。9在此基础上,一些课题组展开了QDSCs稳定性的研究。但是,这些稳定性的测试大多是在室温条件下进行的,而实用化的QDSCs要求电池在长期光照下工作。在长期光照下,电池(包括电解质)的温度会升高。在升温过程中,温度对电解质和电池性能有怎样的影响,前几乎没存研究。然而,研究电解质和电池性能在升温过程中的变化情况对于促进QDSCs的实用化具有指导意义。本文系统研究了多硫电解质的导电性能和电池的光电性能随温度的变化。

  2的等效电路是对25-65°C下测得的一系列阻抗谱图进行拟合的结果以25和40°C的阻抗谱图为例,可以看出,采用该等效电路进行拟合,可以得到可信度比较高的结果(中,点为测得的结果,线为拟合的结果)。在这个等效电路图中,兄代表了电解质、硫化亚铜电极以及导线的欧姆电阻,凡值可以从阻抗图的起点读出的结果,Zd为和多硫离子在电解质中扩散相关的扩散阻抗,可以用下式来表达:为第个半圆的峰频率。

  将拟合得到的尤和凡值示于。从(a)可以看出兄,值随温度的升高变化不大,且扎值在0.12-0.35Q-cm:范围内满足兄t小于1Q-cm2的要求,17和报道的多硫电解质/硫化亚铜体系的兄,值(0.25相似。18如此小兄,的反映了所制作的硫化亚铜电极具有良好的催化性能。正是由于硫化亚铜电极对多硫离子氧化还原过程良好的催化性能,使得多硫离子和硫化亚铜电极之间传输电子的过程所越过的能垒比较小,因此,温度对该过程的影响也就不明显。(b)为多硫离子扩散电阻凡值随温度的变化情况,可以看出,随着温度的升高,凡值变小。例如25°C的札值为53Q,当温度升高至40°C,/U直减小至24 65°C时札值为3.5这说明在较篼的温度下,多硫离子的扩散阻力变小,这和和的结果是一致的。

  3.2温度对电池性能的影响将多硫电解质、制备的光阳极和光阴极组装成完整的量子点敏化太阳能电池,并测试了电池在不同温度下的光电流电压曲线,结果如(a)所示。相应的电池性能参数如开路电压(K)、短路电流(人)、填充因子(FF)、光电转化效率(/)、最大输出功率CP)及最大输出功率对应的电压(数据列在表1的效率随着温度的升高下降得非常明显,比如,在45以看出,随着温度的升高,电池的最佳输出功率逐渐降低,最佳功率对应的电压相应的变小,这意味着随着温度的升高,电池在最佳负载下,对外电路输出的功率和电压逐渐降低。

  效率的降低主要是由于开路电压和短路电流的降低引起(a和表1)。暗反应是引起开路电压降低的主要原因,因为暗反应的存在可以降低二氧化钛的费米能级。为QDSC在不同温度下的暗电流可以看出,随着温度的升高,暗电流是逐渐增大的,而且暗电流的起始电位越来越小。说明在高的温度下,二氧化钦中的电子和电解质中的多硫离子的复合越来越容易发生,导致了开路电压的降低,这种开路电压随温度的升高而降低的现象在染温度与(a)凡,和(b)凡的关系料敏化太阳能电池中也存在。19用电化学阻抗的方法测试了电池在暗态下开路电压附近不同温度时的阻抗(所加偏压为-0.57V),为所得到的Bode图。图中1-1000Hz频率范围内所对应的峰与电子在二氧化钛和多硫离子之间转移有关。由可以看出峰值频率值随温度的升高而增大。峰值频率咖的倒数对应电子寿命(fI/co,求得的电子寿命数据列于表1.可以看出电子寿命随温度升高而减小,意味着暗反应越来越容表1量子点敏化太阳能电池的光电性能参数及电子寿命电池在不同温度下的光电流-电压曲线(a)和输出功率随电压变化关系(b>易发生。与所测得的暗电流随温度升高而增大果一致,这在一定程度上解释了为什么开路电温度升高而减小。

  由-4的结果可以知道,随着温度的升,解质的电导率逐渐增大,多硫离子在电解质中散阻力也逐渐减小,这对提高电池的短路电流利的。然而,从a和表1的数据来看,短路电但没有随温度的升高而增加,反而有明显降低势。这可以从两方面来解释,光电流ph由注入流G/d和暗反应电流两者之差决定::°一方面,如所示,温度的升高导致了的急,力口。另一方面,在温度升高的过程中,量子点在化钛表面会脱落(脱附),这可以由进行说曰中,我们测试了新制备的光阳极的紫外吸i谱,然后将同一块光阳极浸泡在45°C的多硫质中1h(模拟电池测试过程),然后测试该光阳结随的压电扩有不趋子5,的是流的电剧枚电极(3)增氧在光解的电池在不同温度下的暗电流密度(/)电池在不同温度下的Bode图和光谱在暗态-0.57的偏压下的测试谱新制备的光阳极及其在4S的多硫电解质中浸泡lh后的吸收光谱紫外-可见吸收光谱。通过吸收强度的变化可以反映光阳极吸附量子点的多少。21由可知,尽管光阳极采用ZnS进行了包覆,但是,光阳极在45°C的多硫电解质中浸泡丨h后,光阳极的吸收强度明显变弱,说明了量子点的脱落。量子点的脱落会导致‘的减小。因此,的减小和的增大两者共同作用,导致了光电流随温度的升高而减小。

  需要指出的是,对于采用多硫电解质的QDSCs而言,温度升高导致的电导率的提高对短路电流的贡献是可以忽略的。这是因为多硫电解质具有较高的电导率,因此,光电流并不受电解质的扩散控制。

  在染料敏化太阳能电池的研究中也有类似的现象:(1)当采用流动性大的液态电解质时,由于暗反应的存在,电池的短路电流随着温度的升高而减小;19(2)当采用流动性比较小的电解质时,由于电解质的电导率比较小,短路电流受电解质的扩散控制,温度升高导致电解质电导率的升高,使得短路电流随温度的升高起初是增大的,最后,达到一个平台或减小。丨6从表1的数据可以看出,QDSCs的填充因子随温度的变化并不规律,如25°C时的填充因子为0.305,而30和40°C时的填充因子分别为0.368和0.327,明显高于25°C时的数值。和染料敏化太阳能电池一样,QDSCs的填充因子受多种因素的影响,如暗反应2224和电池内部串联电阻25(包括电子在二氧化钛膜中的传输电阻、电解质的扩散电阻等)。一般情况下,暗反应增加会导致填充因子的减小广24而串联电阻的减小有利于提高电池的填充因子。25电池在不同温度下的计时电流由可以看出,随着温度的升高,电池的暗反应逐渐增大,不利于填充因子的提高。但是,电子在二氧化钛膜中的传输电阻25和电解质的扩散电阻((b))随着温度的升高而降低,这有利于减小串联电阻,进而有利于提高电池的填充因子。因此,可以看出,由于温度的升高引起的暗反应的增加和串联电阻的减小对填充因子变化趋势的影响是相反的,这导致了填充因子随着温度的变化并不能显示出明显的规律。使得30和40°C时的填充因子高于25°C的数值,35°C和45°C时的数值低于25°C时的数值。这种填充因子随温度不规律变化的现象在染料敏化太阳能电池中也存在。19需要指出的是报道的填充因子随着暗反应的增加而减小的情况一般是在相同温度的条件下进行测试的,22-2<这种情况下,串联电阻的影响可以忽略,暗反应起主要作用是QDSCs在光照射下的短路电流随时间的变化情况。首先可以看出,随着温度的升高,短路电流是逐渐减小的,这与a和表1的结果一致。另一个比较有意思的现象是短路电流随着温度的升高衰减趋于严重。比如在25°C时,在测试的时间段内(约8s),短路电流几乎是恒定的;当温度升高到55°C时,在8s的测试时间内,短路电流衰减到初始值的37%.对QDSCs而言,光照下光电流的衰减主要和量子点的光腐蚀有关26-‘7温度升高导致的短路电流衰减越来越严重,说明在较高的温度下,量子点的光腐蚀趋于严重。

  4结论研究了温度对多硫电解质的导电性能和量子点敏化太阳能电池的光电性能的影响。温度的升高有利于电解质电导率的升高和多硫离子在电解质中的传输。然而,电池的性能会随着温度的升高而降低,这主要是由暗反应的增大和量子点的脱落引起的。尽管采用多硫电解质的量子点敏化太阳能电池是目前效率最高的一类电池,然而,这种体系还存在着很多问题:首先,电池在高温下性能急剧衰减必然不能满足室外长期光照下使用;另外,以水做电解质的溶剂,电解质在低于o°c时会凝固,给电池的安全性能带来隐患。因此,量子点敏化太阳能电池要实现产业化还有很长的路要走,除了继续提高效率以外,还必须要解决电池的高温稳定性问题。

  7国家自然科学基金(21073193,21103194),广东省科技计划(20098011100005)和中科学院广州能源研究所所长创新金汐007口1001)资助项目

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