色素増感太陽電池の光学的および電気的特性に及ぼすTiO2中の金ナノ粒子分布の影響

要約

Auナノ粒子（GNP）と薄いTiO ₂で構成されるフォトアノード層状構造の層は、TiO ₂の適用を繰り返すことによって製造されました。導電性ガラスにペーストとGNP溶液を貼り付けて、TiO ₂内のGNPの分布を変化させます。層。このような光アノードを備えた色素増感太陽電池（DSSC）のプラズモン増強特性を調べた。 TiO ₂の両方の吸収層とDSSCの性能は、GNPがTiO ₂の位置の近くに集中している場合、プラズモン増強によって最も向上することがわかります。層。これは、N719色素の最大吸収に対応する波長の入射光の侵入深さです（〜520 nm）。 1.3μg/ cm ² の比較的高密度のGNP層の場合その位置に密度が形成され、0.65μg/ cm ² という比較的低い密度の2つのGNP層が形成されました。入射光の前面近くに形成された短絡電流密度（ J sc）およびエネルギー変換効率（η ）のDSSCは10.8 mA / cm ² であることがわかりました GNPなしのDSSCと比較して、5.0％、それぞれ15％と11％の増加。私たちの仕事は、TiO ₂におけるGNPの分布の最適化を示唆しています。層は、GNPを利用して製造されたDSSCの性能を向上させるために非常に重要です。

背景

1991年にO'ReganとGrätzelによって開発されて以来[1]、色素増感太陽電池（DSSC）は、その単純な製造プロセス、低コスト生産の可能性、および環境への軽度の影響により、大きな注目を集めています[1]。 2,3,4]。しかし、DSSCのエネルギー変換効率はまだ実用化に十分なほど高くはなく、ペロブスカイト増感太陽電池[5]、薄膜太陽電池[6]、結晶シリコン太陽電池[6]などの他の技術よりも低くなっています。 7]。 DSSCの効率を高めるための1つのアプローチは、光の吸収を高めることです。 TiO ₂の厚さを増やす DSSCの層は、TiO ₂に吸着される色素分子の数が増えるため、光の吸収を高めます。光収穫用。ただし、このアプローチでは、収集電極に到達するためにより長い距離を移動する必要がある光電子の再結合により、効率が低下する可能性があります[8]。太陽電池内部の光管理のためのナノフォトニクスの技術は、高効率を達成するための別のアプローチとして提案されています[9、10]。金属ナノ粒子は、局在表面プラズモン共鳴による局所場の増強と、光路長の延長につながる光散乱の両方によって、太陽電池の効果的な光吸収に寄与することができます。 AuとAgは、一般的な合成色素が主に吸収する可視波長領域で表面プラズモン共鳴を調整できるため、主にDSSCのナノ粒子として使用されます[11、12、13、14]。金ナノ粒子（GNP）は、通常、TiO ₂に適用されます。 TiO ₂とブレンドすることによる層ナノパウダー。これは、コンフォーマルなTiO ₂の製造に使用されます。 -Auナノコンポジットフィルム[15、16、17]。 SiO ₂ コーティングされたAuナノ粒子とTiO ₂ コーティングされたAgナノ粒子はDSSCにも適用されています[18、19、20、21]。 TiO ₂の上面と下面の両方にAgナノ粒子を形成する方法スパッタリングとアニーリングを利用した層が公開されています[22]。物理蒸着によって合成されたGNPは、DSSCの光電流を増強することも報告されています[23]。さらに、TiO ₂に化学的に固定化された機能化GNPの調整されたバイモーダルサイズ分布を使用する方法ジチオジ酪酸リンカーを介した層が公開されています[24]。しかし、私たちの知る限り、TiO ₂内の金属ナノ粒子の分布を変化させるための効果的なアプローチ DSSCの性能を改善するための層はまだ公開されていません。 TiO ₂内のAuやAgなどの高価な金属ナノ粒子の分布を最適化することが重要です。比較的低コストで効率を高めるための層。この作業では、TiO ₂内のGNPの分布間の相関関係を調査しました。層とTiO ₂の光吸収特性 DSSCの性能を改善するためのGNPの最適な分布を得るための層。 TiO ₂におけるGNPの分布層は、TiO ₂を適用するプロセスを繰り返すことによって調整されました導電性ガラス上に制御された量のGNPを含むペーストおよびGNP溶液は、GNPと薄いTiO ₂で構成されるスタック構造を形成します。レイヤー。

メソッド

資料

DSSCは、次の材料を使用して製造されました。シート抵抗が約10Ωsq^{− 1} のインジウムスズ酸化物（ITO）透明導電性酸化物（TCO）フィルムでコーティングされたガラス基板（no。0052; Geomatec Co.、Ltd。）、ヨウ素、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウムヨージド（DMPII）、およびアセトニトリル（東京化成工業株式会社、日本）、無水ヨウ化リチウム（和光Pure Chemical Industries、Ltd。）、テトラクロロ金酸水素（III）三水和物およびジテトラブチルアンモニウムシス -ビス（イソチオシアナト）ビス（2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシラト）ルテニウム（II）（N719）、4-tert-ブチルピリジン（TBP）および塩化白金酸六水和物（Sigma-Aldrich）、酸化チタンペースト粒子サイズが約20nm（PST-18NR、JGC Catalysts and Chemicals Ltd）、厚さが50μmのヒミランフィルム（Peccell Technologies、Inc。、日本）、直径12 mmのカバーガラス（Fisher）。上記のITOベースのTCO0052は、従来のITOベースのTCOとは異なり、耐熱性があります。基板は参考文献[25]でも使用されており、500°Cの高温でアニーリングした後でも、その光学的および電気的特性は低下しませんでした。

金ナノ粒子の合成

GNPは、よく知られているTurkevich法[26]を使用して合成されました。脱イオン水中の0.01wt％テトラクロロ金酸水素（III）三水和物の100 ml溶液を、ホットプレート上で沸騰するまで加熱しました。次に、3.5mlの1wt％クエン酸三ナトリウム二水和物水溶液を激しく攪拌しながら沸騰溶液に加えた。溶液を沸騰させ、60分間撹拌し続けました。この方法では、〜20nmのGNPが得られました。〜40 nmのGNPを得るために、〜20nmのGNPを含む6mlの溶液を、沸騰した脱イオン水中の0.01 wt％テトラクロロ金酸水素（III）三水和物の100 ml溶液にシードとして添加し、続いて0.5mlの1を添加しました。 wt％クエン酸三ナトリウム二水和物水溶液。サイズが〜40および〜60 nmのシード粒子を使用して、それぞれ〜60および〜90nmのGNPを取得しました。 GNPの合成が完了した後、溶液を10,000rpmで20分間遠心分離しました。上澄みを除去した後、チューブの底から収集したGNPを、体積比1/10の脱イオン水とエタノールの混合物に分散させ、DSSC製造に使用するGNP溶液を形成しました。ストーバー法を使用して、〜20nmのGNPをSiO ₂でコーティングしました。映画[27、28]。激しく攪拌しながら、0.6mlの112mMテトラエチルオルトシリケートと0.09mlのアンモニウム溶液を、0.5mlのGNP水溶液を含む2.5mlのプロパノールに加えました。攪拌を15分間維持し、SiO ₂ 厚さが約20nmのフィルムが形成されました。

フォトアノードの製造とDSSCの組み立て

GNPとTiO ₂のスタック構造を持つフォトアノード層は、薄いTiO ₂の形成を繰り返すことによって製造されました。層とGNP層。 TiO ₂ ペーストをスクリーン印刷法でTCOコーティングガラスにコーティングし、450°Cで15分間アニーリングしました。各薄いTiO ₂の厚さアニーリング後の層は約1.1μmでした。調製した多孔質TiO ₂のおおよその面積レイヤーは25mm ² （5mm×5mm）。アニールされたTiO ₂の表面にGNP溶液を塗布しました。ドロップキャスティングと自然乾燥による層。 TiO ₂内のGNPの密度層は、適用されたGNP溶液の量またはGNP濃度を変更することによって変更されました。溶液のGNPの濃度は、特定の量の溶液中のGNPの重量を測定することによって計算されました。 GNPとTiO ₂の積み重ね構造層は、TiO ₂の形成を繰り返すことによって形成されました。およびGNP層。 TiO ₂の最終アニーリング層は500°Cで30分間実行されました。色素吸着は、TiO ₂を浸漬することによって実行されました。 N719の0.3mMエタノール溶液中の電極を25°Cで20時間。対極を準備するために、1mlのエタノール溶液に2mgの塩化白金酸六水和物を数滴、直径0.9mmの穴をあけたTCOコーティングガラスに置きました。対極を400°Cで30分間加熱しました。代表的なサンドイッチ型DSSCの製造工程は以下のとおりです。対極と色素増感光アノードをスペーサーとしてヒミランフィルムで挟み、ホットプレート上でフィルムを溶かしてオープンセルを形成した。 0.05 M I ₂を含む電解質、0.05 M LiI、0.6 M DMPII、および0.5 M TBPのアセトニトリル溶液を、対極の穴からオープンセルに注入し、真空チャンバーに充填しました。最後に、対極とホットプレート上のカバーガラスの間にあるヒミランフィルムを溶かして穴を塞ぎました。

特性

水に分散したGNPの吸収スペクトルは、UV / Visible Spectrophotometer（Amersham Biosciences Ultrospec 3300 pro）を使用して測定しました。透過型電子顕微鏡（TEM、JEM-2200FS、JEOL）を使用してGNPを観察した。 GNPの表面形態–TiO ₂ 光陽極を走査型電子顕微鏡（SEM、SU6600、日立）で調べた。 TiO ₂の厚さ層は表面プロファイラー（AS500、KLA Tencor）によって測定されました。電流密度-電圧（ J – V ）製造されたDSSCの特性と入射光子対電流効率（IPCE）スペクトル、および光アノードの光吸収スペクトルは、100 mW cm − 2 （AM 1.5）。各セルの有効照射面積は0.05cm ² に保たれました。すべてのサンプルに遮光性の金属マスクを使用します。

結果と考察

Auナノ粒子の形態と光学特性

図1は、水に分散したさまざまなサイズのGNPの吸収スペクトルを示しています。本研究で使用したGNPのTEM画像を図2に示します。これは、GNPが球状の形態で単分散していることを示しています。報告された文献[17、29、30、31]によると、より大きな粒子の電磁遅延により、GMPのサイズが大きくなるにつれて共鳴波長の赤方偏移が観察されました。 GNPのサイズは、調製したままのサンプルの吸収スペクトルを文献で入手可能なデータと比較することによって決定されました。 GNPのサイズが大きくなると、合成中の凝集によって形成される可能性のある大きな粒子が存在するため、吸収スペクトルは赤色領域で幅広い特徴を示します[17]。この傾向は、サイズが〜60nmを超えるGNPで顕著です。また、TEM観察により、GNPが60nmを超えるとサイズ分布が非常に大きくなることが確認されました。

図3aは、TiO ₂の表面にGNP溶液を塗布して乾燥させることによって形成された約40nmのGNPの典型的なSEM画像を示しています。層。 TiO ₂の表面のSEM画像比較のために、GNPのない層を図3bに示します。ほとんどのGNPがTiO ₂の表面に分散していることは明らかです。層はほぼ均一で、凝集はほとんどありません。凝集は、GNPの密度の増加とともに増加する傾向がありました。おそらく、GNPは、基板に塗布されたナノ粒子溶液の乾燥中に凝集します。また、〜40 nm以外のサイズのGNPの場合、TiO ₂上にGNPが均一に分散します。層はSEMで観察され、GNP溶液の塗布と乾燥の方法がTiO ₂でGNP層を形成するのに効果的であることを示唆しています。レイヤー。

DSSCパフォーマンスに対するAuナノ粒子のサイズ効果

さまざまなサイズのGNPを備えたDSSCの光起電力性能を表1に示します。

<図>

この場合、GNPは導電性ガラスと非常に薄いTiO ₂の間に形成されました。導電性ガラスの表面にGNP溶液を滴下し、自然乾燥させることにより、1.3μmの厚さの層。すべてのサンプルに適用されたGNPの重量密度は同じでした（1.3μg/ cm ² ）。短絡電流密度（ J sc）およびエネルギー変換効率（η ）は、GNPを使用しないDSSCと比較して、任意のサイズのGNPを適用することで増加することがわかります。 J のこのような増加 scは、GNPのプラズモン効果によって引き起こされます。これは、以前の研究でも実証されています[15、16、17]。 J scおよびη GNPサイズを〜20から〜60 nmに増やすと増加し、GNPサイズを〜60から〜90nmに増やすと減少することがわかります。 Jscとηの最大の増加開回路電圧（ V ）を変更せずに、〜60 nmのGNPを適用することで〜45％のGNPが得られました。 oc）および曲線因子（FF）。一方、 V は減少します ocとFFは、〜20nmサイズの小さいGNPを持つDSSCで観察されました。 V の減少 ocは、TiO ₂からの後方電荷移動の増加に起因する可能性があります。〜20nmの厚さのSiO ₂で覆われた〜20nmのGNP以降の露出したGNPによる電解質への影響映画は V のそのような減少を引き起こしませんでした oc。 SiO ₂ 膜は、金属表面での電荷の再結合を抑制する絶縁体として機能します[21]。この段階で、 V の理由 ocが減少したのは、GNPが小さい場合のみです。明確に説明することはできません。ただし、すべてのサンプルに適用されたGNPの重量密度は同じ値（1.3μg/ cm ² ）であったため、再結合中心として機能するGNPの総表面積は粒子が小さいほど大きくなる可能性があると推測されます。。

〜20 nmのGNPの場合、GNPのSiO ₂によるコーティングプロセスこの研究でプラズモン増強を観察するには、フィルムが必要です。逆に、〜60 nmを超える大きなGNPの場合、GNP合成のプロセスを繰り返す必要があり、GNPの凝集により、GNPのサイズの変動が大きくなり、実験の精度が低下する可能性があります。したがって、この調査のほとんどの調査では、サイズの変動が比較的小さく、 J の増加が十分に大きい〜40nmのGNPを採用しました。 scおよびη （それぞれ〜36％と〜33％）GNPなしのDSSCと比較。

TiO ₂の吸光度特性の相関 TiO ₂内のAuナノ粒子層の位置によるDSSCの層と性能レイヤー

TiO ₂におけるGNP層の位置間の相関関係を研究する前にフィルムとDSSCの性能、GNP層あたりのGNPの最適量を調査して、高いプラズモン増強効果を得ました。 GNP層あたり約40nmのGNPの密度を変化させたときのDSSCの電流密度-電圧曲線を図4に示します。GNPの密度は、GNP溶液の量を変化させることによって変化しました。 GNP層は、TiO ₂の導電性ガラスの表面から3.6μmの位置に形成されました。 6.0μmの厚さの層。明らかに、GNPの密度が0から1.3または2.7μg/ cm ² に増加すると、、 J scおよびη GNPによるプラズモン増強により増加します。ただし、GNPの密度が5.4μg/ cmまで増加すると² _、 J scおよびη 過剰なGNPが凝集し、局所的なプラズモン効果を減少させ、入射光を遮断するため、減少します。実際、コーティングに使用するGNP溶液の量が増えると、光アノードが金属の色を帯びて曇っていることを視覚的に観察しました。図4では、 J の偏差に注意してください。 scおよびη 追加ファイル1に示すように、GNPの各密度に対応する4つのセルから取得されたDSSCの数：図S1（a）および（b）は、それぞれかなり大きいです。各ロットで、 J scおよびη 1.3または2.7μg/ cm ² のGNP密度での最大値を示します。さらに、 J との関係 scまたはη 導電性ガラスとTiO ₂の間の界面にGNP層が形成された他の実験ロットのGNPの密度さまざまな厚さの層は、追加ファイル2：図S2（a）および（b）にそれぞれ示されています。これらの結果も、 J と同様の傾向を示しています。 scおよびη 1.3または2.7μg/ cm ² のGNP密度での最大値を示します。ただし、 J の絶対値 scおよびη TiO ₂が薄くなるため、小さくなりますレイヤー。したがって、密度が1.3または2.7μg/ cm ² のGNP が最適であることがわかり、TiO ₂内のGNP層の位置間の相関関係の調査に適用されました。基板上の層とTiO ₂の光吸収特性とDSSCのパフォーマンス。

TiO ₂の吸収スペクトル TiO ₂のさまざまな位置にGNP層が堆積されていない層とある層 N719色素を含まない層を図5に示します。GNP層の位置は、GNP層とTCO表面の間の距離によって定義されました。 TiO ₂の吸光度任意の位置にGNP層がある層は、TiO ₂の層よりも大きいことがわかりました。 GNP層のない層。図6は、TiO ₂の吸光度を差し引いて得られた、GNPの適用による吸光度の増加を示しています。 TiO ₂のGNPを含まない層図5に示すGNPを含む層。GNPによる吸光度の増加は、GNP層のTCO表面からの距離が1.1から3.3μmまたは4.4μmに増加すると増加し、4.4からの距離が増加すると減少することに注意してください。 5.5 µmまで。これは、吸光度の最大増分が得られる距離が約4.0 µmであることを示しています。増分は350〜800 nmの広い波長範囲で観察できますが、500〜650nmの範囲では特に顕著です。 TiO ₂の吸収スペクトル TiO ₂のさまざまな位置に形成されたGNP層のない層とある層 N719色素で増感された層を図7に示します。吸収スペクトルは、TCO表面から3.3または4.4μm（つまり、〜4.0μm）のGNP層の距離でも最大値を示しており、N719色素の吸収がこのGNP層の位置で効果的に強化されます。

TiO ₂のさまざまな位置にGNP層が形成されたDSSCの電流密度-電圧曲線とIPCEスペクトル層を図1および2に示します。それぞれ8と9。任意の位置にGNP層が形成されたDSSCの電流密度とIPCEの両方が、GNP層のないDSSCの電流密度とIPCEの両方よりも大きいことがわかります。 GNP層の電流密度とIPCEは、GNP層の距離が1.1から3.3μmまたは4.4μm（つまり、〜4.0μm）に増加すると増加し、距離が5.5μmに増加すると減少します。図10は、 J の依存関係を示しています。図8から得られたGNP層の位置をscします。明らかに、最大の J scは、GNP層がTCO表面から約4.0μmのときに得られました。 J の増加が見られます scはηの増加につながります、 V として図8の挿入表に示すように、ocとFFはGNP層のすべての位置でほとんど変化しません。GNPの密度はどの位置のすべてのGNP層でも同じであるため、TCOから約4.0μmの位置でGNPを適用します。表面は最も効果的であると考えることができます。図9に示すGNP層のあるDSSCのIPCEからGNP層のないDSSCのIPCEを差し引くことにより、図11に示すように、GNPの適用によるIPCEの増分が得られました。 IPCEは、GNP層がTCO表面から約4.0μmに存在する場合に最大になります。増加は350〜750 nmの広い波長範囲で見られ、520 nm付近で特に大きくなり、図6の吸収スペクトルと同様の傾向を示しています。これは、IPCEの増加が光の増強によるものであることを示唆しています。 GNPのプラズモン効果によって引き起こされる吸収。

図12に、TiO ₂の吸光度スペクトルを示します。さまざまな厚さの層。ここでは、N719色素が吸着されており、GNPはすべてのTiO ₂に適用されているわけではありません。レイヤー。 TiO ₂の増加に伴い、N719色素の吸着量が増加するため、吸光度が増加することがわかります。層の厚さ。また、色素の光吸収により、波長520nm付近で吸光度がピークに達することがわかります。したがって、図11のGNPによるIPCEの増加は、GNPのプラズモン効果によるN719の光吸収を高めることによって説明できます。図12から、波長350、520、または650nmの光の吸光度とTiO ₂の厚さの相関関係図13に示すように、層が得られました。TiO₂の吸光度が明らかです。 650 nmのより長い波長の光を含む層は、TiO ₂の増加とともに絶えず増加します。層の厚さ。これは、650nmの光がTiO ₂を透過することを意味します 15.3μmより深い層であり、効果的に吸収されます。一方、TiO ₂の吸光度 350 nmの短波長の光を含む層は、TiO ₂で飽和します。層の厚さは〜3.0μmであり、350nmの光がTiO ₂の深さ〜3.0μm内で完全に吸収されることを示唆しています。層。吸光度はTiO ₂で飽和することに注意してください。 520 nmの光に対して〜4.0μmの層の厚さ。これは、GNPのプラズモン効果により、DSSCのパフォーマンスを向上させるのに最も効果的です。波長520nmの光は、TiO ₂のN719色素によってほぼ完全に吸収されたと見なすことができます。 TCO表面から〜4.0μmまでの層であり、〜4.0μmを超える位置に到達することはほとんどありません。したがって、 J の拡張 TiO ₂のGNP層の位置が変わると、scは減少します。図10に示すように、層はTCO表面から約4.0μm以上になります。これは、520nmの光の吸収が減少することで説明できます。一方、 J の機能強化の理由 TiO ₂のscおよび光吸収 TCO表面からのGNP層の距離が〜4.0μm未満の領域で大きくなるにつれて、層は増加します。この段階では明確ではありません。ただし、GNPがTCO表面から約4.0μmに存在する場合、これは520nmの光の最も遠い距離に対応します。これはTiO ₂で到達できます。層、GNPによる光散乱は、光路長を長くすることにより、DSSC性能の向上に大きく貢献する可能性があります。 DSSCの性能がGNP層の位置に依存しているという結果は、TCO表面から約4.0μm以上の位置に存在するGNPは、N719色素の光吸収を高めるのにほとんど役立たず、したがって、従来のDSSCでは無駄になっていることを示唆しています。 TiO ₂に均一に分布した金属ナノ粒子層。この研究では、〜520 nmの光の侵入深さは〜4.0μmですが、N719色素の吸着量と光照射の強さによって変化する可能性があります。

Auナノ粒子層の数を増やすことによるDSSCの性能の向上

照射された光は金属ナノ粒子の表面で散乱吸収され、強い電磁場を持つエバネッセント光波が発生してナノ粒子の表面に局在します。エバネッセント光波は、金属ナノ粒子の直径よりも短い距離内で金属ナノ粒子表面の近くに留まり、プラズモン感度は、ナノ粒子表面から離れるにつれて指数関数的に低下します[32、33]。したがって、この研究では、GNPの表面から約40 nm以内にあるN719色素分子のみの光吸収が向上する可能性がありますが、他の分子はほとんど影響を受けず、 J の増加という結果を裏付けています。薄いTiO ₂にGNP層を適用すると、scは36％にもなります。表1に示すように1.3μmの層ですが、GNP層を厚いTiO ₂に適用した場合、この増加はわずか8.1％になります。図4に示すように、6.0μmの層。厚いTiO ₂を使用してDSSCのパフォーマンスを向上させるため層、TiO ₂のGNP層の数層が増加しました。 GNP層の数とGNPの密度を変化させたDSSCの電流密度-電圧曲線とIPCEスペクトルを図1と図2に示します。それぞれ14と15。図14の挿入図には、P1、P2、およびP3という名前の3つのレベルのGNP層が示されています。これらは、TCO表面からそれぞれ1.1、2.2、および3.3μmの位置に形成されています。 TiO ₂のP3の位置にGNP層が形成されたDSSC（A〜E）の電流密度とIPCE 層は、GNP層のないDSSC（O）のものよりも大きいことがわかります。さらに、GNP密度が1.3μg/ cm ² のDSSC（B）のパフォーマンス GNP密度が0.65μg/ cm ² のDSSC（A）よりも優れていることがわかります。。 GNP密度が0.65μg/ cm ² のGNP層を追加することに注意してください。入射照射の正面近くにあるP1とP2の位置に、 J を改善します。より重要にsc。ただし、 J は増加します GNP密度が1.3μg/ cm ² のGNP層を追加しても、scは観察されませんでした。 P1とP2（E）の位置に。入射照射の正面付近に大量のGNPが存在する理由 J scは不明です。ただし、GNPがTiO ₂の一部に凝集するというSEM観察から判断すると、これらのGNPの一部は、入射照射を散乱させることにより、P3でのGNPの吸収に凝集し、影響を与える可能性があると推測されます。レイヤー。 DSSC（D）、GNP密度が0.65、0.65、1.3μg / cm ² の3つのレベルのGNP層は、それぞれP1、P2、およびP3の位置で形成され、 J で最高のパフォーマンスを示します。 scおよびη 10.8 mA / cm ² GNP層のないDSSCと比較して、5.0％、それぞれ15％と11％の増加。つまり、N719色素の最大吸収量（〜520 nm）に対応する波長の入射光の侵入深さである位置に比較的高濃度のGNPが形成され、比較的低濃度のGNPが形成された場合に、最高の性能が得られました。この位置の前に、入射光の経路にGNPが形成されました。それにもかかわらず、これらのDSSCの性能の向上は、薄いTiO ₂を備えたDSSCの性能と比較して十分に高くありません。層。この研究では、TiO ₂ ペーストはスクリーン印刷法で塗布され、最も薄いTiO ₂の限界があります。層の厚さの均一性と再現性が要求されるため、アニーリング後の層は約1μmでした。厚さは、より高いプラズモン増強を得るには大きすぎると考えられます。 TiO ₂を使用した噴霧方法溶剤で希釈したペーストは、より薄いTiO ₂を再現性よく得るのに役立つ場合があります。レイヤー。 TiO ₂に対するGNP層の比率を増やす非常に薄いTiO ₂を製造する技術を備えた層層はDSSCの性能をさらに高める可能性があります。さらに、本研究ではGNPサイズの変動を減らすために〜40 nmのGNPを使用しましたが、〜60 nmのGNPを使用すると、表1から判断して、パフォーマンスがさらに向上する可能性があります。 TiO ₂で形成された各GNP層 DSSCのパフォーマンスをさらに向上させる可能性があります。プラズモン散乱と吸収の比率は、GNPの量が増えると増加することが報告されています[34]。 TiO ₂を通る光路の後ろの近くに大きなGNPが形成される層は、光散乱によって光路長を延長するため、DSSCのパフォーマンスを向上させる可能性があります。 GNPの分布とTiO ₂の厚さですが層はまだ最適化されていませんが、プラズモン増強のためにGNPの分布を最適化することでDSSCの性能を改善できるかどうかを確認するというこの研究の目的は達成されました。

結論

TiO ₂のGNP層の位置に対するDSSCの光吸収と性能の依存性層を調査した。 TiO ₂の吸収 GNPがTiO ₂の位置の近くに集中している場合、プラズモン増強によってDSSCの層と性能が最も向上します。 N719色素の最大吸収に対応する波長の入射光の侵入深さである層（〜520 nm）。 DSSCの性能は、入射照射の前面近くに比較的低濃度のGNPを含むGNP層を追加することによってさらに改善されることがわかります。 J scおよびη TiO ₂に適用された3つのレベルのGNP層を備えたDSSCの層は10.8mA / cm ² GNP層のないDSSCと比較して、5.0％、それぞれ15％と11％の増加。 TiO ₂におけるGNPの分布の最適化レイヤーは、GNPを使用するDSSCのパフォーマンスを向上させるために非常に重要であることがわかっています。

略語

DSSC：: 色素増感太陽電池
FF：: フィルファクター
GNP：: 金ナノ粒子
IPCE：: 入射光子から電流への効率
ITO：: インジウムスズ酸化物
J sc：: 短絡電流密度
J–V ：: 電流密度-電圧
N719：: ジテトラブチルアンモニウム cis -ビス（イソチオシアナト）ビス（2,2-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシラト）ルテニウム（II）
SEM：: 走査型電子顕微鏡
TBP：: 4-Tert-ブチルピリジン
TCO：: 透明導電性酸化物
TEM：: 透過型電子顕微鏡
V oc：: 開回路電圧
η ：: エネルギー変換効率