原文

,数量:12 (1)

• 查看PDF
• 下载

氧化锌的作用及其对色素增感太阳能电池的性能的纳米复合材料

*通信:

斯莱姆H开罗,埃及石油研究所,11727年,埃及,电话:+ 841673326268;电子邮件:(电子邮件保护)

文摘

措掺杂的氧化锌纳米粒子的影响性能的染料敏化太阳能细胞(DSSCs)调查。最初使用co-preciptation方法合成了氧化锌纳米粒子然后ZnO-CuO纳米复合材料被小说Pechini捏造路线使用不同的措摩尔浓度比率色素增感太阳能应用细胞(DSSCs)。热、结构、光学和电子特性是使用各种技术,如(TGA / DSC)、XRD、HR-TEM,傅立叶变换红外光谱,拉曼,UV-DRS, PL,电流-电压。XRD分析结果表明,CuO-ZnO复合纳米尺寸和新的峰值为38.65 o的存在对应的第二阶段措,这通知掺杂过程。UV-DRS掺杂样品的光谱显示反射带的红移比纯氧化锌NPs和PL光谱显示出强劲的发射光谱带在400海里。在优化条件下,无掺杂氧化锌薄膜和措掺杂氧化锌粘贴在ITO玻璃使用脉冲激光沉积(骑士)技术,在染料敏化太阳能作为工作电极细胞(DSSCs)。这些工作电极与曙红敏化染料,再加上铂金阴极。电流-电压测量显示ZnO-CuO纳米复合材料的性能改善DSSC AA‚效率为2.9±0.22%的最佳掺杂氧化锌相比(ZC1.5)观察DSSC AA‚1.26±0.08%。

关键字

氧化锌纳米颗粒;ZnO-CuO纳米复合材料;涂料太阳能电池(DSSC);效率

介绍

涂料太阳能细胞(DSSCs),第三代光伏技术,前景巨大的廉价的太阳能的转换能源对电能源相比传统的硅太阳能细胞因为良好的环境,低成本、无毒、良好的温度稳定性,稳定生产太阳能发电和容易细胞(1),他们的关键组件,包括光电阳极、敏化剂、电解质和对电极。纳米尺寸半导体化合物用作光电阳极由于吸收染料分子的功能和电子转移2]。它必须有一个高电子传递率降低电子空穴复合率和提高转换效率(3- - - - - -5]。氧化锌是一种半导体化合物与不同的纳米结构形态和高电子迁移率(6- - - - - -16]。氧化锌已被认为是一种很有前途的候选人DSSCs由于载流子迁移率和直接带隙。氧化锌是一种宽禁带半导体在室温下以3.30 eV。低维氧化锌纳米结构由于其独特的结构都进行了广泛的调查,电气和光学性质(17,18]。这是有前途的材料等许多光电应用程序纳米级激光压电设备,化学传感器和太阳能细胞(19,20.]。在另一方面,氧化铜是候选材料之一。铜氧化物的特性半导体相对更高的光学吸收,低原材料成本和无毒。措是p型过渡金属氧化物与一个狭窄的带隙(如~ 1.2 eV),接近理想能源1.4电动汽车太阳能的差距细胞并允许太阳光谱吸收好。的低带隙的错可以在整个可见光谱吸收。为了获得更好的结晶质量,更好的光学和电学性质,研究首选掺杂金属氧化物。锌是一种重要的过渡金属元素和锌^{2 +}密切与铜离子半径参数^{2 +},这意味着锌可以很容易地渗透措晶格或替代铜在晶体中的位置21,22]。在这个工作中,ZnO-CuO纳米复合材料用于提高染料敏化太阳能电池的光电性能。最初这些材料被合成,然后利用TGA、DSC、XRD、HR-TEM,傅立叶变换红外光谱、拉曼,UV-DRS, PL和电流-电压测量。

在这项工作中,观察到nanohole数组也可以形成与辐照nanoripples捏造800 nm的飞秒激光在酒精的环境。孔的直径范围从10 nm-30海里。注意,nanoholes比入射激光的波长小得多,这是800海里。经典激光纳米结构的结构是不同的两个方面。首先,规模在几十纳米的顺序,而不是几百纳米。另外,结构只能在辐射照射在液体环境下形成的。具体地说,在酒精、辐照下更多nanohole阵列形成洞更均匀,比那些在辐照下生成水。该方法可用于制造deep-subwavelength使用激光照射纳米结构。nanohole数组具有使用扫描电子显微镜(SEM)。此外,我们调查的影响激光扫描速度的deep-subwavelength nanohole数组。

实验

材料

使用的化学品分析品位和使用前未经纯化,硝酸锌(锌(没有₃)₂.6H₂O){228737} 98%,硝酸铜(铜(没有₃)₂。6小时₂O){72252} > 98.5%,柠檬酸一水(C₆H₈O₇。H₂O){1909年,> 99%}和乙二醇(霍克₂CH₂哦)}{1.00949,> 99%,碘化锂(LiI) {223816} 98%, Eosin-Y{230251}和氢hexachloroplatinate (IV)水合物}{81080,38%来自Sigma-Aldrich公司粉末材料的高纯度为98.85%,或更好。碘(I2){13380, 99.8%},{02875} 99.8%乙醇和丙酮}{179973,99.5%来自霍尼韦尔公司。

合成

制造过程包括共同沉淀方法(23氧化锌纳米颗粒的7.44毫克的硝酸锌锌(没有₃)₂在500毫升去离子水溶解,搅拌30分钟在100°C。pH值调整为6通过使用1 m氢氧化钠和搅拌一个小时。混合物是离心的速度4000 rpm和收集沉淀。获得的白色粉末是洗几次用去离子水和乙醇。当时干在80°C的电炉和教廷在450°C 4 h在空气中删除任何有机残留物。

的合成CuO-ZnO nc Pechini方法与不同的摩尔比率(0.5,1.0,1.5,2.0和2.5%)措前体和捐赠(ZC0.5、ZC1.0 ZC1.5,佐佐2.0和2.5)。一水柠檬酸的拨款金额(C₆H₈O₇。H₂O)和乙二醇(霍克₂CH₂哦)溶解在去离子水完全形成溶胶在油浴60°C 1 h和进一步加热在80°C 1 h去除多余的水分。试剂(锌(没有₃)₂。6小时₂O和倪(没有₃)₂。6小时₂O被添加到解决方案和加热在110°C 1 h为了开始酯化。蓝色的解决方案变得越来越粘稠,最后干凝胶。干凝胶是在80°C干24小时在一个电烤箱,然后在450°C 4 h热解氮。使TGA / DSC确定最佳煅烧温度。获得的粉末是教廷在不同温度(400°C, 600°C和800°C) 4 h根据TGA / DSC结果。之后,他们被球磨30分钟打破附聚物。

DSSC制造

合成样品石英衬底上沉积镀铟锡氧化物(ITO) 100 - 150纳米的厚度用脉冲激光沉积(骑士)的波长1064 nm (q开关Nd: YAG激光)。准备的薄膜被认为photo-electrodes DSSCs。准备photo-electrodes都沉浸在0.04克Eosin-Y有机染料(C_20.H₈Br₄Na₂O₅)溶解在丙酮24 h。100毫升platinum-coated柜台电极是由(4毫米氢hexachloro-platinate (IV)水合物,H2PtCl6。aq在乙醇溶液)沉淀ITO-glass和教廷在400°C的空气1 h。0.3组成的氧化还原电解质LiI和0.03 I2聚乙烯碳酸盐注入电极空间从反电极通过predrilled洞。

实验技术

差热分析进行了使用Q600 DST同时DSC / TGA装置的加热速度10°C /分钟温度从室温到1000°C下空气流动。准备阶段的样本是由x射线衍射(XRD)研究使用衍射仪(Panalytical爱视宝箴MPD)。CuKα辐射(λ= 1.5418)

的速度是40 kV和40 mA。形态学研究的高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)模型JEOL jem - 2100,日本。准备样品的结构研究了喇曼光谱学与532 nm激光电源10兆瓦(模型Sentera、力量、德国)。官能团是确定使用傅里叶变换红外光谱仪(ir)模型美国光谱(珀金埃尔默)400厘米的波数范围¹-4000厘米¹。使用紫外可见光谱仪光学反射记录(1050年珀金埃尔默λ)。光致发光光谱记录使用珀金埃尔默LS 50 b发光分光光度计。电流电压(电流-电压)捏造DSSC的测量来衡量使用太阳能模拟器(太阳能灯(科学技术SS150W-AAA)和静电计(2400吉时利源仪表SSIVT-60WC),而空气Mass1.5-filtered 150 W-Xenon灯的光太阳能模拟器DSSC的功率密度π= 100 mW /厘米²测量和计算错误,重复了三次。

结果与讨论

热分析

热重分析和差示扫描量热计(TGA / DSC),准备样本加热以恒定速率下10°C /分钟空气大气在温度范围达到1000°C。CuO-ZnO TGA曲线的nc,体重大约是17.86%(0.7961毫克)的调查样本的总重量为127.78°C所示图1。

结构形态特征

x射线衍射分析(XRD):图2显示CuO-ZnO纳米复合材料的x射线衍射模式在预期的摩尔比率ZC1.5教廷在不同的温度下(400°C, 600°C和800°C)获得的结果显示TGA / DSC。观察到强大的存在和尖锐的峰值出现在800°C和确定最佳掺杂CuO-ZnO nc同意标准粉末衍射模式(JCPDS卡片no.04 - 008 - 2755),但在较低温度、掺杂氧化锌没有成功地发生。图3显示所有准备样品的XRD衍射模式(氧化锌,佐0.5、ZC1.0 ZC1.5,佐佐2.0和2.5)教廷在800°C和揭示了衍射峰出现在角(2 ?)的31.36,34.03,35.86,47.16,56.26,62.54,67.64和68.79对应各自的晶面(100),(002),(101),(102),(110),(103),(200)和(112)的聚晶相匹配的六角纤锌矿结构氧化锌NPs (JCPDS卡片号01-080-4199)。新的高峰出现在38.65 o对应于第二阶段措匹配(JCPDS卡片号00-048-1548)和最佳掺杂CuO-ZnO nc与ZC1.5发生。在较低摩尔比(< 1.5)的措前体、不成功这两个金属氧化物掺杂。在进一步的摩尔比(> 1.5)氧化锌的山峰消失了。

样品的结晶大小计算的半宽度(XRD的应用模式图3,使用Williamson-Hull的公式(24]:

β×cos(θ)= [K×λ/ D] + [4 S××罪(θ)](1)

β是应用在弧度,使用的x射线波长λ,θ是布拉格散射角,D是粒径和S是应变。K是形状系数的参数(为0.94)。计算粒子的尺寸准备样品中列出表1结果表明,粒子大小增加的越来越多措。图4显示了最强烈的XRD峰无掺杂和措掺杂氧化锌nc的摩尔比率为1.5%教廷在800°C。如图所示,措掺杂氧化锌的峰值显示轻微转向更高的角度与氧化锌NPs报道相比,因为铜的离子半径^{2 +}(rCu^{2 +}= 0.73)非常接近(rZn^{2 +}= 0.74),由于铜很容易渗透氧化锌晶格。

透射电子显微镜(TEM):图5 (f)显示HR-TEM氧化锌NPs的图像和纳米复合材料CuO-ZnO分别与不同的摩尔比率从0.5%降至2.5%,与完美的形态和水晶质量undpoed氧化锌NPs相比,显示了一个六角形状的纳米颗粒和较大的矩形血小板。最佳常规球形和均匀的粒度分布在ZC1.5获得,这一结果是与x射线衍射模式兼容图3。的结晶度和优先取向NPs在示例进一步证实了所选区域电子衍射(SAED)模式,如图所示图5 (g)和SAED模式为最优样本ZC1.5,这显示了掺杂样品的多晶衍射环的性质。

傅里叶变换红外(ir)光谱:图6显示了傅立叶变换红外光谱记录在400厘米的范围¹-4000厘米¹氧化锌NPs和CuO-ZnO纳米复合材料在不同摩尔比。广泛吸收峰附近的3367厘米¹对应地伸展。峰值为1560厘米¹和1395厘米¹归因于对称和非对称C = O伸缩振动模式,而小峰在913厘米¹是由于碳氢键伸展。峰值为430厘米¹显示了拉伸的氧化锌。的光谱CuO-ZnO nc显示一个新的振动模式为670厘米¹对应Cu-O拉伸债券,这表明成功掺杂氧化锌NPs措。因此,它是一个很好的支持先前的调查结果。

拉曼光谱:拉曼光谱学显示了检测的振动模式的准备样品掺杂剂的掺入。所示图7纯氧化锌展品的光谱重要E2的峰值在435厘米(高)模式¹代表纤锌矿型六角结构的氧化锌与氧化锌晶格氧的原子的运动(25)和其他山峰观察到322厘米¹,578厘米¹,1130厘米¹,1368厘米¹和1525厘米¹。322厘米的两座山峰¹和578厘米¹被分配(E2H-E2L), A1 (LO),分别。措的喇曼转变——氧化锌nc无掺杂氧化锌相比,拉曼峰的蓝移是观察到322厘米¹,435厘米¹和1130厘米¹红移是观察到578厘米¹。而322年峰值强度和578厘米¹的增加,峰值435厘米¹减少,峰值为1368厘米¹和1525厘米¹消失在236厘米和观察到的山峰¹和1117厘米¹随着掺杂增加,转移到低。根据文献,额外的模式是由主晶格缺陷;主机与掺杂氧化锌晶格缺陷被激活和隐含的内容,然后这些模式出现26]。峰强度的变化确认成功掺杂氧化锌。

光学特性

紫外可见光谱分析:准备样品的漫反射光谱研究了使用紫外可见光学光谱学在200 nm - 800 nm的范围。所示图8的光学带隙准备样本估计的块反射和百分比能源(h)和列表表1使用方程(αh ?) 2 = (h ?如),其中α是吸收系数,h ?光子的能量,一个常数相对于材料,如吸收带隙(27]。在掺杂样品中有一个明显的红移与氧化锌相比,越来越多的带隙减小。无掺杂氧化锌的反射光谱观察到370海里,转向更长的波长区域掺杂氧化锌。带边的红移的增加氧化铜掺杂剂的掺杂是一个明确的迹象措与氧化锌[28]。结果显示扩展的照片在可见光响应范围和有效电子空穴对的分离可能会实现。

表1。平均晶粒大小和纯的带隙和措掺杂氧化锌NPs。

光致发光(PL)光谱:调查样本的室温PL光谱激发波长为325 nm所示图9。紫外线辐射是由于near-band-edge发射复合的自由激子通过一个exciton-exciton碰撞的过程29日]。纯氧化锌的PL光谱揭示了强大而广泛的紫外线波段高峰集中在354海里。措掺杂后,紫外发射峰转变在400 nm波长,由于有启发作用的过渡从锌间隙到价带,最佳掺杂在摩尔浓度比1.5 (ZC1.5)和紫外线强度的峰值减少表示低电子和空穴之间的重组。这些结果显示一个伟大的承诺措掺杂氧化锌nc的光电设备。

电流电压特性

图10显示了电流电压(电流-电压)曲线基于氧化锌的DSSC NPs和基于措掺杂氧化锌DSSC nc和详细的光伏(PV)参数得到的电流-电压曲线的函数措前体中进行了总结表2。可以看到性能的氧化锌相比DSSC CuO-ZnO DSSC的改善短路光电流(Jsc)从0.82 mA /厘米²1.16 mA /厘米²、填充因子(FF)从32.25%降至46%,降低开路电压(VOC) 0.47 V至0.54 V .我们发现DSSC光电效率使用氧化锌已经明显改善措掺杂后佐1.5分别为1.26%±0.10%到2.96%±0.22%。从这些结果,得出CuO-ZnO纳米复合材料具有更好的光电性能和优秀的长期稳定,这可能是一个合适的人选为商业DSSC应用程序(30.]。

表2。DSSC光电参数在不同的措浓缩的前兆。mol. %。

结论

措掺杂氧化锌nc被小说Pechini合成路线与不同的前体摩尔浓度比率从0.0到2.5 mol. %使用一水柠檬酸和乙二醇。结构、morphologicaly、热、光学和电子特征。掺杂过程的成功证实了XRD模式显示的存在新峰值为38.650(200)平面对应二级相错。XRD也显示,最佳摩尔浓度比在(1.5 mol. %)掺杂材料。傅立叶变换红外光谱揭示新的振动模式的存在在670厘米¹相应的措拉伸模式CuO-ZnO nc。拉曼光谱显示,蓝移低频率由于掺杂含量的增加。紫外光谱显示红色吸收带边的变化在措兴奋剂。PL光谱描述带边缘附近的转变在400 nm紫外线发射稳定h + / e - CuO-ZnO nc。只使用氧化锌DSSC的效率是1.26%±0.10%;而对于CuO-ZnO nc,效率增加2.96%±0.22%的最佳掺杂(ZC1.5),这可能是一个合适的人选,光伏应用。

引用

1. 苗族X,潘K,潘问,等。高结晶石墨烯/炭黑复合反电极与控制内容:合成、表征和色素增感太阳能电池的应用。Electrochimica学报。2013;2 (4):219 - 225。
2. 安SH、气WS金正日DJ, et al。蜂窝吗?喜欢组织和双孔二氧化钛光电阳极固体吗?国家染料?敏化太阳能细胞j .广告Func板牙。2013;23 (31):3901 - 8。
3. Mazumdar年代,Bhattacharyya AJ。依赖电子重组时间和光线电力转换效率在纳米晶体的形状光敏化剂。能源环境Sci.2013; 5。
4. 陈L,周Y,你W, et al。提高色素增感太阳能电池的光伏性能使用石墨烯-二氧化钛光电阳极由一部小说原位同时reduction-hydrolysis技术。J纳米。2013;21 (5):3481 - 5。
5. 令Kamat副总裁。提高量子点敏化太阳能的效率细胞通过调制的界面电荷转移。J Acc化学杂志2012;45(11):1906 - 15所示。
6. 彭燕TL,吴低频,LJ, et al .色素增感太阳能的光电阳极细胞基于氧化锌/二氧化钛复合膜。Int J Photoenergy 2012:613969。
7. 哈比比MH、民兵大肠热锆酸锌和结构的研究纳米级综合来自溶胶-凝胶过程。J千卡肛门Calorim。2013; 111:227-33。
8. 马丁森沛富、拦JW·赫普JT, et al .氧化锌纳米管色素增感太阳能电池的基础。J纳米列托人。2007;7 (8):2183 - 7。
9. 哈比比MH,民兵大肠操作参数的影响在C.I.的光催化降解活性黄86纺织染料用锰锌氧化物纳米复合材料薄膜。J副词氧化物抛光工艺。2011;14:190。
10. Ghaedi M, Montazerozohori M, Sahraei r .比较的影响纳米材料对铜选择性电极的响应特性。J印第安纳Eng化学2013;19:1356。
11. 哈比比MH Sheibani r silver-doped氧化锌薄膜,纳米结构涂层在玻璃由溶胶-凝胶法、光化学沉积过程:申请删除硫醇。J印第安纳Eng化学2013;19:161 - 117。
12. 哈比比MH,民兵大肠渗透率、溶解、扩散系数和伙伴的数据交联6 fda-based copolyimides。53 J Eng化学。2014;(6):2449 - 60。
13. 陈W,张H,杏IM,等。一个新的染料敏化太阳能电池的光电阳极架构基于氧化锌nanotetrapods而无需煅烧。J电化学Commum。2009; 11 (5): 1057 - 60。
14. 哈比比MH、民兵大肠合成、结构表征、热及电化学调查的广场金字塔锰(III)复杂的席夫碱配体作为N2O2四配位基的赤道和O monodendate在轴向位置:应用程序作为前体Mn-Doped氧化锌纳米颗粒的制备。43 J Org化学2013;(4):406 - 11。
15. 张问,Dandeneau CS,周X, et al .色素增感太阳能电池的氧化锌纳米结构。J难以板牙。2009;21 (41)4087 - 108。
16. 哈比比MH,哈比比啊。溶胶凝胶燃烧合成和表征纳米结构的铜铬尖晶石。J千卡肛门Calorim。2013; 115(2): 1329 - 33所示。
17. Senthil TS, Muthukumarasamy N, Misook k .氧化锌纳米染料敏化太阳能为基础细胞使用从甜菜中提取的天然染料敏化,玫瑰和草莓。35 J牛韩国化学Soc。2014; (4): 1056。
18. Al-Kahlout a热处理优化氧化锌nanoparticles-photoelectrodes高色素增感太阳能电池的光电性能。J Assoc基本达成Sci阿拉伯大学。2015;17:66 - 72。
19. 唐Z,黄GKL Yu P, et al .室温紫外激光发射自组装氧化锌微晶薄膜。J:列托人。1998;72 (25):3270 - 72。
20. 黄任中美国X, Y, et al。数值研究流和热金属有机化学气相沉积反应器,在J气Sci小羊。2010;55 (6):560 - 6。
21. Nawar,阿卜杜勒•一,NF说,等。改善氧化锌薄膜的光学和电学性质氧化铜掺杂剂。J应用物理。2014;6 (4)17-22。
22. Das B, Das T, Parashar K, et al .结构、电气和傅立叶变换红外光谱研究纳米锌<子> 1 - x < /订阅> Ca x <子> < /订阅> O固态反应法。达成科学难以垫Int。2014; 116年。
23. 沙兰AE,奥萨马,拉施德MM,等。一项调查SnO2纳米粒子的属性使用两种不同的方法合成。J垫Sci:垫加热器。2014;25 303 - 10 (1)。
24. 米德DG,威尔金森GR。拉曼效应对温度的依赖关系在一些纤锌矿晶体类型。J Ram规范。1977;6 (3)123 - 29。
25. Ekambaram美国燃烧合成和表征的新类ZnO-based陶瓷颜料。J合金Comp。2005; 390 (1): L4-L6。
26. 段磅,饶GH,王YC, et al .磁化和拉曼散射的研究(Co、锰)codoped氧化锌纳米颗粒。J应用物理。2008;104 (1):013909。
27. 刘27 M,杨J,冯年代,et al。复合光电阳极Zn2SnO4纳米粒子改性SnO2层次色素增感太阳能电池的微球。板牙。2012;76:215-18。
28. Prashant SK,杜塔RK Pandey AC。镍掺杂浓度对结构和磁性的影响超细磁稀释半导体氧化锌纳米颗粒。J镁镁垫。2009;321 (20)3457 - 3461。
29. 罗马V, Iatsunsky我Fedorenko V, et al。增强的电子和光学性质的氧化锌/氧化铝nanolaminate涂布实际上电纺纳米纤维。J phy化学领域。2016;120 (9):5124 - 32。
30. 卡拉姆反对C, Guerra数控,r . Habchi Z, et al . Urchin-inspired ZnO-TiO 2核壳作为染料敏化太阳能电池的构建块。J垫Des。2017; 126:314-21。