上转换材料/二氧化钛纳米异质结构对染料敏化太阳能电池效率的提高

染料敏化太阳能电池由于价格低廉、环境友好、制备简单等优点在过去的二十年被广泛研究。为了提高DSC的效率,更有效的利用太阳光,研究者采用全光谱的敏化剂以提高近红外光的利用。但是大多数的近红外敏化剂的电子注入效率低,电荷重组大,阻碍了DSC效率的提高。上转换材料(UCNPs)可以有效的将近红外区光(>800 nm)转换为可见光(<750 nm),而被用于DSC以提高对红光和近红外光的捕获效率。

目前将上转换材料应用于染料敏化太阳能电池的研究工作集中于两点:一是近红外光转换为可见光,转换后的可见光被DSC的敏化剂染料吸收(辐射或者非辐射);二是光线的反射。由于上转换材料的发射效率低,上转换到染料的辐射或者非辐射能量转移会造成大量的能量损失,以及UCNP/染料/电解质表面电荷重组,使DSC的光电流和效率不能有效的提高。UCNPs是通过多光子过程吸收低能级光子(>800 nm),而生成高能级激发态光子(<750 nm)。如果能够将UCNPs生成的高能级激发态光子直接注入到TiO2的导带中,然后氧化的UCNPs被氧化还原电对(I3/I)还原(这一过程与DSC的工作过程一致),那么将UCNPs组合到DSC内部将有效的提高DSC的光电流和整体的效率。

大连理工大学常杰博士、武素丽副教授等利用纳米异质结构的形成有利于异质结构中两种不同材料电荷传递的特点,将UCNPs与TiO2制备成纳米异质结构。在TiO2/UCNPs纳米异质结构中, NaYF4: Yb3+, Er3+ 的绿光发射能级略高于TiO2导带的能级,而NaYF4: Yb3+, Er3+ 的基带略低于氧化还原电对(I3/I)的能级,这样的条件使电子由NaYF4: Yb3+, Er3+注入到TiO2的导带以及由氧化还原电对(I3/I)将氧化态的NaYF4: Yb3+, Er3+成为可能。TiO2/UCNPs纳米异质结构中,TiO2与UCNPs之间生成共有界面,大大提高了由UCNPs到TiO2导带电子注入的可能性。将该纳米异质结构应用于染料敏化太阳能电池的光阳极,电池的效率比未加入上转换材料的电池提高了17%。这个效率提高的结果主要是由于电子直接由UCNPs注入到TiO2导带造成的。