基于高结晶度二氧化钛纳米管薄膜的高效染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池(DSSCs)是第三代太阳能电池,具有制作成本低廉、制备工艺简单、可大量生产等优点,在解决能源与环境问题方面具有广泛的应用前景。染料敏化太阳能电池还可以制成柔性、卷曲和半透明的产品,适用于便携式设备、房屋门窗等特殊的应用场合。但是电池光电转换效率的进一步提高受到较低的光捕获效率和较高的电子复合几率的限制。

光阳极是染料敏化太阳能电池的关键部件,通常是无规则堆积的二氧化钛纳米颗粒,光生电子在颗粒间沿“z字型”路径传输。采用一维规则排列的二氧化钛纳米管(TiO2 Nanotube)阵列作为染料敏化太阳能电池的光阳极,由于光生电子沿着纳米管管壁定向传输,被认为会加快电子传输速率,这对于染料敏化太阳能电池效率的改善是至关重要的。而理论和实验研究表明,在纳米管中存在大量的俘获态,抑制了电子的传输。在氧化性气氛中对纳米管高温结晶,是减少俘获态的有效方式。然而由于基底效应(Substrate Effect),对钛金属基底上的纳米管直接高温结晶会破坏纳米管的结构和形貌,显著降低电池的效率。因此,消除基底的影响是提高纳米管结晶度的关键。

最近,上海交通大学的陈险峰教授研究组与香港理工大学的黄海涛教授研究组合作,制备出了一种高质量的二氧化钛纳米管自由薄膜,并提出了在把薄膜粘附到导电基底之前对其进行高温结晶的方案,显著地提高了纳米管的结晶度(见示意图)。该研究团队长期从事二氧化钛纳米管和染料敏化太阳能电池方面的研究,并积累了大量的经验,包括制备两端开孔的纳米管自由薄膜、具有光学特性的周期结构纳米管阵列、以及大表面积的纳米管/纳米颗粒混合结构等,并且应用于染料敏化太阳能电池中,提高其光电转换效率。

基于上述这些方面的研究,该团队发展了通过把高质量的二氧化钛纳米管薄膜从钛金属基底上剥离下来的方式消除基底效应。对于自由薄膜而言,在高温结晶时其结构和晶型的变化与钛金属基底上的纳米管相比具有很大的差异。对于高质量的自由薄膜,锐钛矿晶型向金红石晶型转变的温度大大提高,而且在高温下纳米管的形貌保持完整,表现出更好的热稳定性。研究人员进一步将这种高结晶度的薄膜应用到染料敏化太阳能电池中,并研究电子的传输和复合动力学。由于结晶度的提高和电子俘获态数目的减少,高结晶度的纳米管薄膜中电子传输速率得到很大提升。由此,染料敏化太阳能电池的性能有显著改善。

该项研究成果证实了对高质量的纳米管薄膜进行高温退火是提高纳米管结晶度的简单而有效的方式,为提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率提供了新的途径。此外,高结晶度的二氧化钛纳米管也有望在光催化降解、光解水等应用中发挥重要作用。