AgBiS2半导体敏化太阳能电池

1、目目 录录背景背景实验部分实验部分AgBiS2太阳电池的性能分析太阳电池的性能分析小结小结背景常用的有机染料是钌（Ru）配合物，在可见光范围内吸收性好，但对红外光吸收差。Semiconductor-sensitized solar cells (SSCs): extremely thin absorber (ETA) solar cells；liquid-junction semiconductor-sensitized solar cells.The efficiency has been increased from 12.3 to 15% in ETA cells fabricated

2、based on organicinorganic hybrid perovskites. Inorganic semiconductor sensitizers have several advantages over organic dyes such as tunable absorption bands due to the quantum-size effect,high extinction coefficient and multi-electronhole pair generation by a single incident photon.Recently, ternary

3、 AgSbS2 films and nanoparticles were successfully synthesized for use as a sensitizer for SSCs. This study extends the work to a new ternary systemAgBiS2. AgBiS2在线性和非线性光学器件、热电器件和光记录媒体方面具有重要的应用。Eg=1.2eV,接近吸收的最佳带隙(1.39eV).吸收系数高达105cm1(at = 600 nm). 利用声化学法和溶剂热法合成了AgBiS2量子点。在文献中，首先用连续离子层吸附反应合成AgBiS2纳米颗粒

4、。制备TiO2光电极以得到liquid-junction太阳电池。实验部分实验部分Preparation of TiO2 PhotoelectrodesAssembly of Solar CellsGrowth of AgBiS2 NanoparticlesMaterial Characterization and PhotovoltaicMeasurementsPreparation of TiO2 Photoelectrodes致密层（厚度约为80nm） 在清洁的FTO玻璃上旋涂0.2M异丙醇钛溶液； 450 时加热30分钟。涂有敏化剂的纳米多孔TiO2层（10-12m） 利用刮刀片技术摊

5、开FTO玻璃上的TiO2； 125加热6分钟。TiO2散射层（ 3m） 涂在敏化层的上面。减少FTO中电子和电解质中空穴的复合增加电池内光路径来增加光的收集。Growth of AgBiS2 Nanoparticles 对于Bi-S层的涂层，涂有Ag2S的光电极浸入在0.1 M Bi(NO3)3 乙醇/水溶液（1:1）中20s，用去离子水冲洗，在空气中变干。之后将光电极浸入0.1 M Na2S 乙醇容液中40s，乙醇冲洗，在空气中变干。 Bi-S SILAR 层数等于Ag-S的。 完成SILAR过程后， Ag-S/Bi-S 双层结构在150C下空气中退火1小时。热处理将其转变为AgBiS2。（

6、1）在TiO2光电极上生长Ag2S量子点 AgBiS2 纳米颗粒由两阶段SILAR工艺制备： TiO2 光电极浸入25C, 0.1 M AgNO3 乙醇溶液中20s，再用乙醇清洗，之后在空气变干。这一过程产生了Ag+。光电极浸入0.1 M Na2S甲醇溶液中40s，再用甲醇冲洗，放在空气中变干。这一过程产生了S2。（2）在Ag2S上生长Bi2S3量子点Assembly of Solar Cells The AgBiS2-coated TiO2 photoelectrode was assembled into solar cells by sandwiching it with an Au c

7、ounterelectrode using a 190 m-thick parafilm spacer.Au counterelectrodes of thickness 30 nm were prepared through sputtering deposition. We also compared the performance of cells using a Pt counterelectrode. The polysul- fde electrolyte consisted of 0.5 M Na2S, 2 M S, 0.2 M KCl, and 0.5 M NaOH in et

8、hanol/water (7:3, volume).Material Characterization and Photovoltaic Measurements Hitachi 2800A spectrophotometer光学吸收光谱光学吸收光谱 JEOL JEM-2010透射式电子显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM） PANalyt- ical XPert Pro MRD diffractometerX射线衍射（射线衍射（XRD） Keithley 2400 source meter 电流电压特性电流电压特性 Acton monochromator with a 250 W tu

9、ngstenhalogen lampEQE光谱光谱 a metal mask placed above the cellThe active area AgBiS2太阳电池的性能分析太阳电池的性能分析SEMOptical SpectraXRDPhotovoltaic Performance Figure 1. TEM micrographs of (a) a bare TiO2 film, (b) an Ag2S-QD-coated TiO2 film, (c) AgBiS2(4) nanoparticles (after annealing at 150 C), (d)a high-magn

10、ification image of AgBiS2(4) nanoparticles.Ag2S量子点平均直径为7nm， AgBiS2纳米颗粒平均直径为16nm(150)，13nm(100).(1)AgBiS2纳米颗粒由双层颗粒产生；(2)退火增加了直径。(e) lattice fringes corresponding to the (200) plane of the AgBiS2 phase.由图（a）看出，退火前，未加热时双层结构的XRD图已出现了AgBiS2的特征峰。这表明在两阶段SILAR过程中，自发形成AgBiS2结构（尽管不完整）。后沉积退火过程将双层材料完全转变为AgBiS2相

11、。这说明两阶段SILAR 方法对两阶段SILAR过程的生长是十分有效 的。光谱由光谱T(TiO2上的AgBiS2)与T(TiO2)比值得到。随着n增加，传输降低。表明随着n增加，光电极上生长了更多纳米颗粒材料，导致光谱吸收增加。样品n=3,4时，在500-700的可见光范围内有较低的传输（ 1-2%）。这表明对于一个好的太阳能吸收器来说，纳米颗粒对于光近乎完整的收集是必不可少的要求。OD是光强度，OD=d，d是样品厚度，这是一个近似值。曲线的截距可用来估计能带间隙Eg。Eg 随n增加而减少。这归因于量子尺寸效应：n增加，颗粒大小增加，Eg减少。Eg=1.32eV（n=4）大于块AgBiS2的。

12、 Photovoltaic Performance 最初，短路电流Jsc和功率转换效率随层数增加。开路电压和填充因子FF变化很小。n=4时，具有最好的性能，Jsc = 5.76 mA/cm2, Voc = 0.16 V, and = 0.36%。之后，效率开始下降。结果表明电池性能随着更多的半导体沉积在光电极上而提升。当n 5,纳米颗粒的过载减少了纳米多孔TiO2颗粒的孔隙，这有可能会阻碍电解质的流动，从而降低了电池效率。 The ZnS layer improved by reducingthe recombination between electrons in the conductio

13、n band of AgBiS2 (and TiO2) nanoparticles and holes in the electrolyte. The Au counterelectrode reduced the poisoning effect on the Pt counterelectrode caused by chemisorbed sulfur compounds.光谱覆盖350-850nm的光，包括可见光和部分近红外光。=500时，EQE有最大值57%,在450-650nm范围内，平均EQE是54%。上截止波长大约为850nm，（1.46eV）,这符和从光学测量得到的Eg（1.

14、32eV）值。The efficiency at 14.8% sun is = 0.76%, a 43% enhancement compared to = 0.53% at 1 sun. The enhancement arises primarily from Jsc(1.69 mA/ cm2 under 0.148 sun,which is equivalent to 11.4 mA/cm2 under 1 sun). The equivalent Jsc of 11.4 mA/cm2 is 50% larger than the Jsc (7.61 mA/cm2, 1 sun).两电池

15、效率相差12%，在实验误差内（在相同的实验条件下，制备的同一批电池的有10%-20%的变化）。因此，表明这两个电池性能一样。较薄的TiO2薄膜包含少量的半导体材料，导致光的收集减少。但是它依然给光电子提供了更短的导电路径，使得光电流收集增加。这两个效果相互竞争。Ag2S 电池的开路电压(0.23 V)明显大于 AgBiS2的( 0.17 V) 。这归因于两者的不同的导带能级。 Ag2S的Eg（1.1eV）较小，具有较宽的吸收带。AgBiS2电池有两个明显的特征：(1)高的短路电流密度Jsc=7.61mA/cm2；(2) Eg（1.32eV）接近最佳太阳吸收器。开路电压Voc的上限是ECB Eredox， ECB是半导体的导带能级，Eredox是电解质的氧化还原能级。小结小结We synthesized AgBiS2 nanoparticles on nanoporous TiO2 electrodes using a two-stage SILAR proces