钜大LARGE | 点击量：880次 | 2019年04月02日
用于染料敏化太阳能电池的铌、氟双渗杂
高明琦12，徐友龙12，白杨12（1.西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点。从图中可以看出：①所有的峰位随着掺杂量增加都略微向低峰位方向偏移（如中的（101）峰），这说明生成的NFT随着掺杂量的增加晶粒增大；②衍射峰为典型的锐钛矿相特征峰，峰强度随着掺杂的增加显著增强，说明掺杂有利于Ti2锐钛矿晶相的生成；③没有掺杂的纯了！2在扫描时还有极少的晶红石相，如中a样品的（110）峰即为晶红石相的特征峰，但是掺杂之后晶红石相特征峰消失，变成纯的锐钛矿相，说明铌和氟的掺杂抑制了晶红石相的生成；④掺杂之后会有些细小的峰出现或峰形更加尖锐，如38°附近的组三峰（（103）（004）（112））、55.附近的双峰（（105）（211））以及62.附近的双峰（（213）（204））等，都是典型的锐钛矿晶相特征峰，这说明掺杂之后晶型更加规则，能够检测出来的信号更完整。
2.2形貌与成分分析掺杂之后生成的NFT形貌不同于传统的Ti2小颗粒，是微米级的球状。为NFT的SEM图，从可以看到，微球表面有大量纳米管呈“排状”
紧密堆积又彼此支撑，在连接处有少量纳米颗粒或不完整的纳米管，这些纳米管和纳米颗粒组成在一起形成了微球形貌。
为球形NFT颗粒超声分散后的纳米管TEM图，从中可以观察到纳米管和纳米颗粒以及部分碎裂的纳米管。这些纳米管的直径大多只有3040nm左右，粗细不太均匀，完整的长度大约为500nm，纳米颗粒的粒径则在50nm左右。从图中推测，分解后产物中纳米管的比例比颗粒高，与SEM图中表面结构的表现相符。但是，米用同种方法制备的未掺杂的Ti2依然全都是纳米颗粒，与P25类似，直径只有20nm左右，并没有纳米管出现，也没有出现微球结构。这说明，微球结构并不仅仅取决于水热合成的温度与时间的控制，掺杂才是主要因素，而且纳米管的尺寸明显大于纯Ti2的颗粒尺寸，这与前文中XRD的测试结果一致，即NFT的晶粒尺寸确实大于TO的。
球形NFT颗粒超声分散后的纳米管TEM图对NFT粉末进行X射线光电子能谱（XPS）分析，其全谱如所示。从图中对比标准数据可知，样品中除了主要含有Ti、O和表面吸附的空气中的C元素之外，还有Nb3d，Nb3s和F1s特征峰。这说明Nb和F确实掺杂进入了Ti2的晶格之内，而对其含量进行分析后发现，Nb和F的摩尔比接近1：5，与前文制备的反应方程的比例相符。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
水热反应的时候Nb和F的掺杂从本质上改变了所生成的T！2的结构，变成了全新的纳米管组成的微球，但是微球的形成机制和原理还有待于进―步研究。
2.3电池的光电性能分析光电流的产生依赖于电子注入、电荷转移和电荷复合过程。NFT的结晶性能好，有助于电子注入效率的提高。由于纳米管的结晶规则，管壁内是单晶结构，因此电子在其内部的传输速率更高，而且管和管之间结构比较紧密，接触面积大，界面间会形成良好接触，其间电子传输的速率不会受太大影响，而未掺杂的常规颗粒了0自身尺寸很小，有大量的接触界面，电子在其中传输的过程中因大量的界面存在而极大地减缓了传输速率，甚至在界面区域发生湮灭。所以NFT中的电子迁移速率高于未掺杂的了0中的，这可以有效地减小电池内阻，从而提高电池的开路电压。
对不同材料制作的光阳极进行染料脱吸附测试，发现NFT电极的染料吸附量比未掺杂的了0电极提高56%以上，说明NFT由纳米管组成的球状结构确实能够拥有更大的表面积，因此用这种材料制备的光阳极能够提供更多的表面积与染料接触。提高了染料吸附量就可以在单位时间进行更多的光电转换，有助于电池短路电流的提高。提出，当染料吸附量增加1.2倍时，单色光的IPCE增加了3%，而了0和P25这两种颗粒制备的电极由于很多小颗粒压缩得紧密，很多表面积很难利用，难以发挥其原有表面积的优势。另一方面表面积增加，可使单位面积上的电子极化减弱，有利于提高电池的开路电压。
将3种不同材料制备的电池在标准模拟太阳光下进行测试，其曲线如所示。其中NFT样品中掺杂Nb和F的摩尔分数分别为1%和5%.从图中可以看出，NFT制备的电池具有更高的开路电压（0.72V）和短路电流密度（8.得它具有高的光电转换效率（3.6%），比不掺杂的T0制备的电池的转换效率（2.6%）提高了38%，比商用的P25制备的电池的转换效率（2.9%）也要高本文还对电池的IPCE进行了测试，结果如所示。从图中可以看出，在可见光范围（400550nm），NFT制备的电池的转化效率明显高于T0和P25的，这可以归因于NFT具有更高的电子注入效率和电子迁移速率，而且拥有更高的有效表面积来吸附染料。这也与上面-V测试的结果一致。
电势正向移动，降低其费米能级，使得电子注入的驱动电势增加，有效提高电子注入效率，从而提高电池的短路电流密度，这与的结果一致，而IPCE的测试结果表明，在紫外波段，NFT的本征转化效率发生红移，也证明了其费米能级有所降低。
3结论本文采用一步水热合成法制备了Nb和F的双掺杂Ti02微球，这些微球每一个都是由大量的纳米管和少量纳米颗粒组成的。用这样的T！02微球制备的光阳极拥有更高的有效表面积，而且掺杂之后Ti02的结晶性明显提高，有利于提高其中的电子迁移率。所以，这种材料制备的单层电池与未掺杂的T！02颗粒制备的同种电池相比，单色光子-电子转化效率明显提高，整体转换效率提高了38%，表明掺杂对电池性能提高有明显效果。
