鉅大LARGE | 點擊量：1726次 | 2019年03月27日
多硫電解質(zhì)及量子點敏化太陽能電池性能受到溫度的影響
染料敏化太陽能電池（DSCs）由于具有制備簡單、廉價高效的優(yōu)點在過去的十幾年被廣泛研究。12通過制備新材料和新形貌的半導體，3使用設計合成新染料，456制備新的電解質(zhì)設計新結(jié)構(gòu)的電池7等手段可以提高電池對光的利用率，增加電子收集效率并抑制暗反應，因此可以在一定程度上改善電池的光電性能，提高光電轉(zhuǎn)化效率/）和穩(wěn)定性。目前，DSCs的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到了11%-12%，8并在較高的溫度下（80-85°C）展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。8最近，窄帶隙的無機量子點（QDs）材料如CdSe、CdS等被嘗試作為無機敏化劑用在DSCs上，制作了量子點敏化太陽能電池（QDSCs），這種窄帶隙的無機量子點材料和傳統(tǒng)的敏化劑相比具有如下優(yōu)點（1）QDs的帶隙可以通過改變顆粒的大小實現(xiàn)可控調(diào)節(jié)，進而可以調(diào)控QDs的光譜響應范圍，以達到和太陽光譜良好的匹配；（2）QDs作為無機敏化劑，和傳統(tǒng)的敏化劑相比具有高的摩爾消光系數(shù)，可以提高太陽光的利爪率；（3）量子點敏化太陽能電池可以利用熱電子產(chǎn)牛多個電子空穴對，因此具有更高的理論轉(zhuǎn)化效率（44%），而在傳統(tǒng)的DSCs中，這種熱電子的能量通過放熱而損失掉。正是基于上述的優(yōu)點，對QDSCs的研究最近成為熱點。
電解質(zhì)為QDSCs的重要組成部分，目前使用效果最好的電解質(zhì)是以水為溶劑的多硫電解質(zhì)/u°在電池工作時，電解質(zhì)中的多硫離子分別在光陽極和光陰極的表面發(fā)生氧化和還原反應，即通過向QDs傳遞電子實現(xiàn)QDs的再生，并在光陰極接受電子而使電池完成一個完整的循環(huán)。因此電解質(zhì)對電池性能有很大的影響。
室溫條件下，基于多硫電解質(zhì)的QDSCs已經(jīng)達到了大于4%的轉(zhuǎn)化效率。9在此基礎上，一些課題組展開了QDSCs穩(wěn)定性的研究。但是，這些穩(wěn)定性的測試大多是在室溫條件下進行的，而實用化的QDSCs要求電池在長期光照下工作。在長期光照下，電池（包括電解質(zhì)）的溫度會升高。在升溫過程中，溫度對電解質(zhì)和電池性能有怎樣的影響，前幾乎沒存研究。然而，研究電解質(zhì)和電池性能在升溫過程中的變化情況對于促進QDSCs的實用化具有指導意義。本文系統(tǒng)研究了多硫電解質(zhì)的導電性能和電池的光電性能隨溫度的變化。
2的等效電路是對25-65°C下測得的一系列阻抗譜圖進行擬合的結(jié)果以25和40°C的阻抗譜圖為例，可以看出，采用該等效電路進行擬合，可以得到可信度比較高的結(jié)果（中，點為測得的結(jié)果，線為擬合的結(jié)果）。在這個等效電路圖中，兄代表了電解質(zhì)、硫化亞銅電極以及導線的歐姆電阻，凡值可以從阻抗圖的起點讀出的結(jié)果，Zd為和多硫離子在電解質(zhì)中擴散相關(guān)的擴散阻抗，可以用下式來表達：為第個半圓的峰頻率。
將擬合得到的尤和凡值示于。從（a）可以看出兄，值隨溫度的升高變化不大，且扎值在0.12-0.35Q-cm：范圍內(nèi)滿足兄t小于1Q-cm2的要求，17和報道的多硫電解質(zhì)/硫化亞銅體系的兄，值（0.25相似。18如此小兄，的反映了所制作的硫化亞銅電極具有良好的催化性能。正是由于硫化亞銅電極對多硫離子氧化還原過程良好的催化性能，使得多硫離子和硫化亞銅電極之間傳輸電子的過程所越過的能壘比較小，因此，溫度對該過程的影響也就不明顯。（b）為多硫離子擴散電阻凡值隨溫度的變化情況，可以看出，隨著溫度的升高，凡值變小。例如25°C的札值為53Q，當溫度升高至40°C，/U直減小至2465°C時札值為3.5這說明在較篼的溫度下，多硫離子的擴散阻力變小，這和和的結(jié)果是一致的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
3.2溫度對電池性能的影響將多硫電解質(zhì)、制備的光陽極和光陰極組裝成完整的量子點敏化太陽能電池，并測試了電池在不同溫度下的光電流電壓曲線，結(jié)果如（a）所示。相應的電池性能參數(shù)如開路電壓（K）、短路電流（人）、填充因子（FF）、光電轉(zhuǎn)化效率（/）、最大輸出功率CP）及最大輸出功率對應的電壓（數(shù)據(jù)列在表1的效率隨著溫度的升高下降得非常明顯，比如，在45以看出，隨著溫度的升高，電池的最佳輸出功率逐漸降低，最佳功率對應的電壓相應的變小，這意味著隨著溫度的升高，電池在最佳負載下，對外電路輸出的功率和電壓逐漸降低。
效率的降低主要是由于開路電壓和短路電流的降低引起（a和表1）。暗反應是引起開路電壓降低的主要原因，因為暗反應的存在可以降低二氧化鈦的費米能級。為QDSC在不同溫度下的暗電流可以看出，隨著溫度的升高，暗電流是逐漸增大的，而且暗電流的起始電位越來越小。說明在高的溫度下，二氧化欽中的電子和電解質(zhì)中的多硫離子的復合越來越容易發(fā)生，導致了開路電壓的降低，這種開路電壓隨溫度的升高而降低的現(xiàn)象在染溫度與（a）凡，和（b）凡的關(guān)系料敏化太陽能電池中也存在。19用電化學阻抗的方法測試了電池在暗態(tài)下開路電壓附近不同溫度時的阻抗（所加偏壓為-0.57V），為所得到的Bode圖。圖中1-1000Hz頻率范圍內(nèi)所對應的峰與電子在二氧化鈦和多硫離子之間轉(zhuǎn)移有關(guān)。由可以看出峰值頻率值隨溫度的升高而增大。峰值頻率咖的倒數(shù)對應電子壽命（fI/co，求得的電子壽命數(shù)據(jù)列于表1.可以看出電子壽命隨溫度升高而減小，意味著暗反應越來越容表1量子點敏化太陽能電池的光電性能參數(shù)及電子壽命電池在不同溫度下的光電流-電壓曲線（a）和輸出功率隨電壓變化關(guān)系（b>易發(fā)生。與所測得的暗電流隨溫度升高而增大果一致，這在一定程度上解釋了為什么開路電溫度升高而減小。
由-4的結(jié)果可以知道，隨著溫度的升，解質(zhì)的電導率逐漸增大，多硫離子在電解質(zhì)中散阻力也逐漸減小，這對提高電池的短路電流利的。然而，從a和表1的數(shù)據(jù)來看，短路電但沒有隨溫度的升高而增加，反而有明顯降低勢。這可以從兩方面來解釋，光電流ph由注入流G/d和暗反應電流兩者之差決定：：°一方面，如所示，溫度的升高導致了的急，力口。另一方面，在溫度升高的過程中，量子點在化鈦表面會脫落（脫附），這可以由進行說曰中，我們測試了新制備的光陽極的紫外吸i譜，然后將同一塊光陽極浸泡在45°C的多硫質(zhì)中1h（模擬電池測試過程），然后測試該光陽結(jié)隨的壓電擴有不趨子5，的是流的電劇枚電極（3）增氧在光解的電池在不同溫度下的暗電流密度（/）電池在不同溫度下的Bode圖和光譜在暗態(tài)-0.57的偏壓下的測試譜新制備的光陽極及其在4S的多硫電解質(zhì)中浸泡lh后的吸收光譜紫外-可見吸收光譜。通過吸收強度的變化可以反映光陽極吸附量子點的多少。21由可知，盡管光陽極采用ZnS進行了包覆，但是，光陽極在45°C的多硫電解質(zhì)中浸泡丨h(huán)后，光陽極的吸收強度明顯變?nèi)?，說明了量子點的脫落。量子點的脫落會導致‘的減小。因此，的減小和的增大兩者共同作用，導致了光電流隨溫度的升高而減小。
需要指出的是，對于采用多硫電解質(zhì)的QDSCs而言，溫度升高導致的電導率的提高對短路電流的貢獻是可以忽略的。這是因為多硫電解質(zhì)具有較高的電導率，因此，光電流并不受電解質(zhì)的擴散控制。
在染料敏化太陽能電池的研究中也有類似的現(xiàn)象：（1）當采用流動性大的液態(tài)電解質(zhì)時，由于暗反應的存在，電池的短路電流隨著溫度的升高而減小；19（2）當采用流動性比較小的電解質(zhì)時，由于電解質(zhì)的電導率比較小，短路電流受電解質(zhì)的擴散控制，溫度升高導致電解質(zhì)電導率的升高，使得短路電流隨溫度的升高起初是增大的，最后，達到一個平臺或減小。丨6從表1的數(shù)據(jù)可以看出，QDSCs的填充因子隨溫度的變化并不規(guī)律，如25°C時的填充因子為0.305，而30和40°C時的填充因子分別為0.368和0.327，明顯高于25°C時的數(shù)值。和染料敏化太陽能電池一樣，QDSCs的填充因子受多種因素的影響，如暗反應2224和電池內(nèi)部串聯(lián)電阻25（包括電子在二氧化鈦膜中的傳輸電阻、電解質(zhì)的擴散電阻等）。一般情況下，暗反應增加會導致填充因子的減小廣24而串聯(lián)電阻的減小有利于提高電池的填充因子。25電池在不同溫度下的計時電流由可以看出，隨著溫度的升高，電池的暗反應逐漸增大，不利于填充因子的提高。但是，電子在二氧化鈦膜中的傳輸電阻25和電解質(zhì)的擴散電阻（（b））隨著溫度的升高而降低，這有利于減小串聯(lián)電阻，進而有利于提高電池的填充因子。因此，可以看出，由于溫度的升高引起的暗反應的增加和串聯(lián)電阻的減小對填充因子變化趨勢的影響是相反的，這導致了填充因子隨著溫度的變化并不能顯示出明顯的規(guī)律。使得30和40°C時的填充因子高于25°C的數(shù)值，35°C和45°C時的數(shù)值低于25°C時的數(shù)值。這種填充因子隨溫度不規(guī)律變化的現(xiàn)象在染料敏化太陽能電池中也存在。19需要指出的是報道的填充因子隨著暗反應的增加而減小的情況一般是在相同溫度的條件下進行測試的，22-2<這種情況下，串聯(lián)電阻的影響可以忽略，暗反應起主要作用是QDSCs在光照射下的短路電流隨時間的變化情況。首先可以看出，隨著溫度的升高，短路電流是逐漸減小的，這與a和表1的結(jié)果一致。另一個比較有意思的現(xiàn)象是短路電流隨著溫度的升高衰減趨于嚴重。比如在25°C時，在測試的時間段內(nèi)（約8s），短路電流幾乎是恒定的；當溫度升高到55°C時，在8s的測試時間內(nèi)，短路電流衰減到初始值的37%.對QDSCs而言，光照下光電流的衰減主要和量子點的光腐蝕有關(guān)26-‘7溫度升高導致的短路電流衰減越來越嚴重，說明在較高的溫度下，量子點的光腐蝕趨于嚴重。
4結(jié)論研究了溫度對多硫電解質(zhì)的導電性能和量子點敏化太陽能電池的光電性能的影響。溫度的升高有利于電解質(zhì)電導率的升高和多硫離子在電解質(zhì)中的傳輸。然而，電池的性能會隨著溫度的升高而降低，這主要是由暗反應的增大和量子點的脫落引起的。盡管采用多硫電解質(zhì)的量子點敏化太陽能電池是目前效率最高的一類電池，然而，這種體系還存在著很多問題：首先，電池在高溫下性能急劇衰減必然不能滿足室外長期光照下使用；另外，以水做電解質(zhì)的溶劑，電解質(zhì)在低于o°c時會凝固，給電池的安全性能帶來隱患。因此，量子點敏化太陽能電池要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走，除了繼續(xù)提高效率以外，還必須要解決電池的高溫穩(wěn)定性問題。
