稀土離子摻雜TiO2納米晶的上轉換發(fā)光特性及應用.pdf

1、TiO2半導體材料具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和光化學穩(wěn)定性，是光電器件中的理想材料，被廣泛的應用于染料敏化太陽能電池和光催化。染料敏化太陽能電池(DSSC)一般用N719或N3染料作為敏化劑與TiO2薄膜組成光陽極，其對太陽光的吸收范圍為290~780nm，然而太陽光譜中50％的能量來自近紅外區(qū)700-2500nm，近紅外光譜的50%的能量位于波長700-1000nm之間。因此，將紅外光轉換為 TiO2多孔薄膜光陽極可以利用的可見光和近紫外光具

2、有重大意義。稀土離子摻雜的上轉換材料可以吸收紅外光而發(fā)射可見光和紫外光，將其應用于DSSC中，可提高近紅外光的利用率，提高電池的光電轉換效率。
　　本文采用溶膠水熱技術，以摻雜F-離子的TiO2作為基質材料, Yb3+作為敏化劑，Ho3+作為活性劑，制備了Yb3+-Ho3+-F-共摻雜TiO2納米粉末（簡寫為：UC-F-TiO2）。首先研究了Yb3+，Ho3+，F(xiàn)-離子的摻雜濃度對UC-F-TiO2納米顆粒其結構、形貌及上轉換發(fā)光

3、性能的影響。研究結果總結如下：
　?。?）溶膠水熱技術制備的UC-F-TiO2納米粉末是由銳鈦礦型和金紅石型兩種結構組成的，隨著反應前驅溶液中Yb3+，Ho3+摻雜濃度的增加，金紅石型的TiO2所占比例增加，而銳鈦礦結構的TiO2所占比例減少；但隨著F-離子摻雜濃度的增加，銳鈦礦型的TiO2所占的質量百分比先增加而后又減少。而未摻雜TiO2納米粉末是金紅石型。
　　（2）UC-F-TiO2納米粉末是由顆粒大小約20nm的類球

4、狀構成的，其顆粒大小均勻分布。摻雜離子的濃度對類球形顆粒的形貌和尺寸影響不大。
　?。?）采用XPS分析得出在樣品C4中，C，O，Ti，Ho，F(xiàn)和Yb元素的原子百分比分別為22.85,47.00,16.73,8.61,0.89和3.91 at.%,并且XRD圖譜中發(fā)現(xiàn)隨著稀土離子摻雜，特征峰的位置有微小的偏移。由于摻雜劑Ho(NO3)3, Yb(NO3)3和 HF是加在反應前驅溶液中，雜質離子是在化學反應的過程中摻入TiO2納米晶

5、體體內的，所以可以推斷這些雜質離子是體摻雜，它們可能取代Ti4+離子的位置，也可能在TiO2納米晶的晶界附近。
　?。?）UC-F-TiO2納米粉末，在980nm激光激發(fā)下，產(chǎn)生了一個較強的且中心在543nm處的綠光發(fā)射帶，以及兩個強度較弱的中心分別位于647nm和751nm的紅光發(fā)射帶。當Ho3+的摻雜濃度為2%，Yb3+的摻雜濃度為3%時，其上轉換發(fā)光強度最強。
　　其次，將上述制備的具有上轉換發(fā)光特性的UC-F-TiO

6、2納米粉末，應用于染料敏化太陽能電池。首先制備了純TiO2納米漿料C1和TiO2與UC-F-TiO2納米粉末按照3:7,1:1和7:3重量比混合的混合漿料C2。采用絲網(wǎng)印刷技術在FTO玻璃襯底上分別印刷漿料C1或C2，得到厚度為14μm的單層結構的光陽極；同時，先印刷漿料C1，然后印刷漿料C2得的雙層結構的光陽極。研究了混合漿料中TiO2與UC-F-TiO2納米粉末的質量比以及底層薄膜的厚度對DSSC的光伏性能的影響。
　　其主要

7、結果如下：
　?。?）雙層結構的光陽極比單層結構的光陽極組裝的電池的效率高。在雙層結構的光陽極中，底層的最佳厚度為4.2μm,上層的最佳厚度8.4μm?；旌蠞{料中TiO2與UC-F-TiO2納米粉末的最佳重量比為1:1.
　　（2）與單層結構的純TiO2納米多孔薄膜光陽極組裝的DSSC相比，最佳條件下UC-F-TiO2納米粉末雙層結構光陽極組裝的DSSC的開路電壓達到0.76V，短路電流密度達到15.47mAcm-2，光電轉

8、換效率為7.18%，比單層結構的純TiO2納米多孔薄膜光陽極組裝的DSSC光電轉換效率提高了35%。這一結果表明：稀土離子摻雜的上轉換發(fā)光材料，通過有效利用太陽光譜中的近紅外光，提高了電池的光電轉換效率。
　?。?）根據(jù)電池的J-V曲線和IPCE曲線,從三個方面證實具有上轉換效應UC-F-TiO2光陽極能提高染料電池的光伏性能。
　　1.采用UC-F-TiO2制備的電池在紫外-可見光波段的光子-電子轉化效率（IPCE）比采用

9、純TiO2制備的電池的（IPCE）得到顯著提高，證明了N719染料可以吸收UC-F-TiO2上轉換發(fā)射的綠光，從而促進更多的光電子產(chǎn)生。
　　2.基于UC-F-TiO2的電池比基于純TiO2的電池其電流密度較高，由于UC-F-TiO2納米粉末上轉換發(fā)射的綠光被N719染料利用，TiO2導帶中有大量光電子產(chǎn)生，DSSC的電流密度得到提高；
　　3.基于UC-F-TiO2的電池比基于純TiO2的電池其開路電壓更大，取決于TiO2