熒光光子晶體背反射層增強(qiáng)染料敏化太陽(yáng)能電池效率

戴廣超 ，魏來，馬曉飛 ，王建穎 ，馬鵬常

(1.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062; 2.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205；3.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528400)

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熒光光子晶體背反射層增強(qiáng)染料敏化太陽(yáng)能電池效率

戴廣超1，魏來2，馬曉飛1，王建穎1，馬鵬常3

(1.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430062; 2.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205；3.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528400)

二氧化硅膠體;碳點(diǎn)；光子晶體；背反射層

0 引言

多功能光子晶體特別是熒光光子晶體由于其獨(dú)特的性能，例如光子禁帶、熒光等，在過去的十年里吸引了學(xué)者們的廣泛興趣[1].一般來說，有兩種方法制備熒光光子晶體薄膜：一種是直接填充有機(jī)染料、量子點(diǎn)等熒光物質(zhì)到光子晶體的間隙中，從而形成復(fù)合的熒光光子晶體結(jié)構(gòu)[2-9]；另一種方法是熒光光子晶體微球直接組裝形成熒光光子晶體薄膜[10-19]. 相對(duì)而言，每種方法都有其缺點(diǎn)，對(duì)于第一種方法，熒光物質(zhì)的引入會(huì)影響薄膜的反射強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)色彩；第二種方法受制于單分散熒光復(fù)合膠體微球的合成.目前，熒光物質(zhì)比如有機(jī)染料、無機(jī)納米晶體量子點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用于制備熒光光子晶體薄膜，但是這種方法有制備復(fù)雜、有毒等明顯的缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用.最近，一種新型的有機(jī)熒光物質(zhì)—碳點(diǎn)被引入到這種方法，碳點(diǎn)表現(xiàn)出很好的熒光穩(wěn)定性、生物相容性、易合成、無毒等特點(diǎn).然而，只有很少的報(bào)道有關(guān)于碳點(diǎn)基熒光光子晶體薄膜，尤其是其在染料敏化太陽(yáng)能電池背反射層方面鮮有研究.

在本文中，我們通過單分散二氧化硅膠體和碳點(diǎn)的共組裝制備一種新型的熒光光子晶體薄膜.通過垂直沉積法制備的熒光光子晶體薄膜表現(xiàn)出很多的優(yōu)點(diǎn)，例如：簡(jiǎn)易操作，制備碳點(diǎn)的周期短，熒光光子晶體具有很好的結(jié)晶性.制備的熒光光子晶體不僅表現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色彩，也具有很好的熒光性能.因此，碳點(diǎn)基熒光光子晶體薄膜能夠被應(yīng)用于增強(qiáng)染料敏化太陽(yáng)能電池的利用效率，為先進(jìn)光學(xué)材料的發(fā)展開辟了一條新的道路.

1 實(shí)驗(yàn)部分

碳點(diǎn)通過水熱法合成[17].單分散二氧化硅膠體[20]用St?ber法來制備.碳點(diǎn)在紫外光激發(fā)下可以發(fā)射藍(lán)光熒光，光子晶體對(duì)其相匹配的頻率的光有增強(qiáng)作用，因此，藍(lán)色光子晶體將起到增強(qiáng)碳點(diǎn)熒光作用，本文中制備的二氧化硅微球粒徑控制在180 nm 左右，從而可以得到藍(lán)色光子晶體薄膜.將一定量的二氧化硅膠體與制備好的碳點(diǎn)溶液混合，離心后得到復(fù)合微球，醇洗三次.超聲分散二氧化硅復(fù)合微球，將復(fù)合微球的均勻分散液轉(zhuǎn)移到5 mL玻璃瓶中.將王水處理過的玻璃片垂直插入到小瓶中，放置在45 ℃烘箱中，待乙醇完全揮發(fā)完畢，碳點(diǎn)基熒光光子晶體薄膜可以制備出來.

碳點(diǎn)和二氧化硅的形貌可以通過透射電子顯微鏡(FEI TECNAI G20, USA)表征出來.X線光電子能譜(PHOIBOS150, Germany)可以測(cè)得碳點(diǎn)基熒光光子晶體的表面元素.碳點(diǎn)基光子晶體薄膜的微結(jié)構(gòu)可以通過掃描電鏡(JSM7100F Japan)測(cè)得.用普通的相機(jī)拍攝碳點(diǎn)基熒光光子晶體在的照片.用光纖光譜儀(USB4000, Ocean Optics Inc.)測(cè)得碳點(diǎn)基光子晶體薄膜的反射光譜.碳點(diǎn)溶液和碳點(diǎn)基熒光光子晶體薄膜的熒光光譜可以通過熒光光譜儀(PE LS-55 USA)測(cè)得.染料敏化太陽(yáng)能電池(優(yōu)選 中國(guó))的透射光譜通過紫外可見分光光度計(jì)(UV3600, Shimadzu Company, Japan)測(cè)得.染料敏化太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率在1.5 M模擬太陽(yáng)光、強(qiáng)度為100 mW/cm2(solar simulator(Oriel, model 91192-1000)、IM6電化學(xué)工作站(ZAHNER, Germany)測(cè)得.

2 結(jié)果與討論

圖1 碳點(diǎn)(a)的TEM圖片(插圖是碳點(diǎn)水溶液在365 nm紫外燈下的光學(xué)照片)和不同激發(fā)光下碳點(diǎn)溶液(b)的熒光光譜圖

粒徑在180 nm左右的單分散二氧化硅膠體可以通過經(jīng)典St?ber法獲得.如圖2a所示，二氧化硅膠體具有很好的單分散性，因此制備的光子晶體薄膜具有很好的光學(xué)性能.如圖2b所示，單分散二氧化硅膠體和碳點(diǎn)共組裝的光子晶體薄膜SEM結(jié)果表明其在面心立方的(111)面上緊密排列.如圖2c所示，熒光光子晶體有單一的反射峰和鮮艷的藍(lán)色結(jié)構(gòu)色彩.表明碳點(diǎn)的填充并未影響光子晶體的晶體結(jié)構(gòu).如圖2d所示，XPS數(shù)據(jù)表明碳點(diǎn)基熒光光子晶體薄膜主要由四種化學(xué)元素組成：硅(23.5%)，碳(22.8%)，氮(2.5%)，氧(51.1%).相反地，沒有碳點(diǎn)負(fù)載的光子晶體薄膜僅只有硅、碳、氧三種元素，而沒有氮元素的存在.只有碳點(diǎn)的前驅(qū)體乙二胺可以提供氮元素，因此可以證明碳點(diǎn)基光子晶體薄膜的成功制備.

圖2 粒徑為180 nm的單分散二氧化硅膠體(a)的TEM圖、熒光光子晶體薄膜(b)的SEM圖、光子晶體和熒光光子晶體薄膜(c)的反射光譜(插圖是熒光光子晶體的光學(xué)圖片)和光子晶體和熒光光子晶體(d)的XPS光譜

圖3 碳點(diǎn)基熒光光子晶體(a)在365 nm激發(fā)波長(zhǎng)下的激發(fā)光譜(插圖：左邊是碳點(diǎn)基熒光光子晶體薄膜在365 nm紫外燈下的光學(xué)照片，右邊是無碳點(diǎn)的光子晶體薄膜在365 nm紫外燈下的光學(xué)照片)和染料敏化太陽(yáng)能電池(b)的透射光譜

圖4 染料敏化太陽(yáng)能電池(control),光子晶體(PC)和熒光光子晶體(FPC)薄膜做背反射層電池(a)的J-V曲線和碳點(diǎn)基光子晶體作背反射層的染料敏化太陽(yáng)能電池和光子晶體作背反射層的染料敏化太陽(yáng)能電池(b)的光電參數(shù)

如圖3a插圖所示，碳點(diǎn)基熒光光子晶體薄膜由于碳點(diǎn)的熒光在紫外燈下呈現(xiàn)藍(lán)色.相反地，沒有負(fù)載碳點(diǎn)的光子晶體僅僅反射紫外燈的光而顯紫色，熒光光子晶體的熒光光譜顯示在486 nm左右有明顯的熒光峰.為了證明熒光光子晶體能夠作為染料敏化太陽(yáng)能電池的背反射層，圖3b表明，我們所用的染料敏化太陽(yáng)能電池在紫外波段下的透過率是5%，表明部分紫外光會(huì)透過電池到背反射層.

如圖4所示，碳點(diǎn)基熒光光子晶體作為面積為0.16 cm2染料敏化太陽(yáng)能電池的背反射層.對(duì)比之下，具有熒光光子晶體作背反射層的染料敏化太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)化效率為4.27%、開路電壓0.692 V、短路電流8.912 mA/cm2，具有光子晶體作背反射層的染料敏化太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)化效率為4.22%、開路電壓0.691 V、短路電流8.812 mA/cm2，沒有背反射層的染料敏化太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)化效率為4.01%、開路電壓0.668 V、短路電流8.468 mA/cm2.增加背反射層可以提高短路電流和開路電壓，碳點(diǎn)基熒光光子晶體薄膜相比于光子晶體薄膜作為背反射層，短路電流由8.812 mA/cm2提高到8.912 mA/cm2，開路電壓基本不變.這些結(jié)果表明光子晶體禁帶效應(yīng)與碳點(diǎn)的熒光性能的結(jié)合可以提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，為制備和設(shè)計(jì)先進(jìn)的太陽(yáng)能電池背反射層開辟一個(gè)新的方向.

3 結(jié)論

通過共組裝和垂直沉積結(jié)合的方法制備一種新型的碳點(diǎn)基光子晶體薄膜.這種方法可以快速制備大面積且結(jié)晶性好的熒光光子晶體薄膜，制備過程中不需要繁雜后處理.此外，碳點(diǎn)不會(huì)影響自組裝和結(jié)構(gòu)色彩，熒光光子晶體不僅具有鮮艷的結(jié)構(gòu)色彩，也表現(xiàn)出良好的熒光性能，因此能夠?qū)崿F(xiàn)多功能光學(xué)材料的制備.更重要的是，與沒有熒光性能的光子晶體作染料敏化太陽(yáng)能電池的背反射層對(duì)比，熒光光子晶體薄膜作為背反射層可有效提高電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率.

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(責(zé)任編輯 胡小洋)

Carbon dots-based fluorescent photonic films as back-reflecting layers for efficiency enhancement in dye-sensitized solar cells(DSSCs)

DAI Guangchao1, WEI Lai2, MA Xiaofei1, WANG Jianying1, MA Pengchang3

(1.Faculty of Materials Science and Engineering, Hubei University, Wuhan 430062,China；2.Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205,China；3.Zhongshan Polytechnic,Zhongshan 528400, China)

A novel kind of fluorescent photonic crystal(FPC) films are generated through co-assembly of monodispersed silica colloids and carbon dots(CDs),exhibiting brilliant structural color and good fluorescence simultaneously. The fluorescence spectra of FPC films have been showing a peak at 480 nm. By comparison, the dye-sensitized solar cells(DSSCs) with FPC film show higher power conversion efficiency(PCE)(4.27%) than those of DSSCs without PC film(4.01%). An enhancement ratio of 6.2% in the cell efficiency is achieved.

silica colloids; carbon dots; photonic crystals; back-reflecting layers

2016-10-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(51673060)、湖北省自然科學(xué)基金(2015CFB266)和中山市社會(huì)公益科技研究項(xiàng)目(2015B2337)資助

戴廣超(1993-)，男，碩士生；王建穎，通信作者，副教授，E-mail:jywang@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)04-0343-04

TB324.1

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.04.003