上转换发光材料在太阳能电池中的应用鲁明11S009078概要：本文通过对上转换发光材料在燃料敏化太阳能电池中的应用的学习，主要介绍二氧化钛上转换发光粉制备，并对其在染料敏化电池上的应用进行研究。一背景目前染料敏化太阳能电池的最高光电转换效率可达11%以上[1,2]。料敏化太阳能电池主要以N3,N-719染料作为敏化剂[1~5],与TiO2组成光阳极,对太阳光进行吸收并转换为电能.染料分子可被视为“电子泵”,这个泵的驱动力就是太阳光,常用的N3,N-719染料对太阳光的吸收范围主要在290~700nm之间[3~5],但对占太阳光全部能量高达43%的红外光却利用甚微,所以利用光转换材料将红外光转换为染料可以充分吸收利用的可见光对于提高电池的光电转换效率具有重要的意义.由于稀土离子的特殊性质,即存在未充满的4f壳层,具有丰富的能级和4f电子的跃迁特性,使稀土发光成为研究的热点,并在荧光、监视器、X射线成像、光通信等领域得到了广泛的应用[6~10]。本文通过水热法制备Er3+和Yb3+共掺的TiO2:(Er3+,Yb3+)上转换发光粉,将其组装在染料敏化太阳能电池中,使原来利用率极低的红外光转化为染料可以充分吸收的可见光,从而提高电池的光电转化效率。二实验原料与仪器二氧化钛(P25),钛酸四正丁酯、异丙醇、聚乙二醇(分子量20000)、碘、碘化锂、4-叔丁基吡啶(TBP)、OP乳化剂(TritonX-100)、氧化铒、氧化镱、氢氧化锂,均为分析纯,购于中国医药集团上海化学试剂公司;敏化染料N-719;可控温磁力搅拌器(C-MAGHS4,德国IKA);马弗炉(上海实验电炉厂);短弧氙灯/汞灯稳流电源(CHF-XM-500W,北京畅拓科技有限公司)、电化学分析仪/工作站CHI660C(上海辰华仪器有限公司);导电玻璃基片(FTO，北京建筑材料研究院);X射线粉末衍射仪(D8-advance);紫外-可见分光光度计(UV-2550);FSP920荧光光谱仪。三实验内容1、TiO2胶体的制备以钛酸丁酯为前驱体,采用水热法制备TiO2胶体[11~14].将10mL钛酸丁酯在强烈搅拌下逐滴加入到150mL去离子水中,立即产生沉淀,持续搅拌30min,然后进行抽滤并洗涤2~3次得到白色沉淀.将沉淀倒入一定体积比的硝酸与醋酸混合溶液中并保持80℃搅拌,直到生成透明的蓝色溶胶.先取70mL的溶胶在200℃水热条件下处理12h.把水热后的胶体倒回原来的溶胶中,加0.2g二氧化钛(P25)粉搅拌0.5h,再进行二次水热.反应后的TiO2胶体经80℃浓缩至原来的1/5,加入20%~30%的聚乙二醇20000及几滴TritonX-100[12],搅拌至均匀,得纳晶TiO2胶体。2、转换发光胶体的制备将一定量氧化铒、氧化镱和氢氧化锂(作为反应助熔剂)[15]溶解在硝酸中得硝酸盐溶液.将10mL钛酸丁酯在强烈搅拌下逐滴加入到150mL去离子水中,立即产生沉淀,持续搅拌30min,而后进行抽滤并洗涤2~3次得到白色沉淀,所得沉淀加入硝酸盐溶液中并加入适量去离子水和10mL冰醋酸,使其pH为1.随后,于80℃下搅拌,直到生成透明的蓝色溶胶.所得胶体装入高压釜(填充度小于80%),在200℃水热处理12h即得掺杂铒和镱的TiO2沉淀,将所得沉淀胶体一起倒入烧杯,100℃真空干燥得粉体.所得粉体经研磨后,800℃焙烧2.5h,自然冷却至室温后,即得上转换发光粉.所制得的发光粉与所制得的纳晶胶TiO2胶体按不同的比例混合均匀,此混合胶体经80℃适当浓缩后,加入相当于混合物干体质量20%~30%的聚乙二醇20000及几滴TritonX-100,即得上转换发光粉胶体,待用。3、转换发光电极的制备将洗净的导电玻璃四边用透明胶带覆盖,来控制膜的厚度及大小[13],使膜厚约为10μm,中间空隙大小为1cm×1cm.将制备的TiO2胶体用玻片均匀地刮涂于导电玻璃上,在空气中自然晾干后,450℃锻烧30min,使TiO2固化并烧去聚乙二醇等有机物,缓慢冷却至80℃取出得纳晶多孔TiO2膜,这便是我们通常所用的纳晶TiO2多孔光阳极.再按相同的方法在纳晶多孔TiO2膜上涂一层厚度约4μm的上转换发光胶体,室温晾干后,450℃锻烧30min,自然冷却至室温后,将获得的薄膜浸泡于N3染料溶液中24h,使染料充分地吸附在TiO2上,取出后用乙醇浸泡3~5min,洗去吸附在表面的染料,在暗处自然晾干,得到含上转换发光粉的染料敏化光阳极。四结果和讨论图1给出了不同温度下烧结的纳晶TiO2及上转换发光粉的粉末X射线衍射(XRD)图.曲线(a)与PDF(21-1272)卡片公布的各条谱线一一对应,说明纳晶Ti...
