染料敏化后TiO2/Au(a图)和Au/TiO2(b图)体系在光照下电子传输的可能机理
染料敏化太阳能电池(DSSCs)以其低廉的成本和简易的制备流程受到全世界研究者的广泛关注. 在电池体系中, 染料分子被入射光激发产生电子注入TiO2 纳米晶薄膜, 同时激发产生的空穴则被传输到I-/I3-为主的电解液中. 然而, 染料敏化太阳能电池的一个主要问题是其光电转换效率一直没有实现令人满意的改善. 各种新型染料, 电解液和半导体材料, 电极制备方法都被应用到染料敏化太阳能电池体系中以期取得良好的光电转换效果.尽管在最近研究者将染料敏化太阳能电池的光电转换效率提高到了12%左右, 这一效率距离理论值还是相去甚远.
以金银等为代表的纳米贵金属具有表面等离子体共振效应(Surface Plasmon Resonance, SPR), 可以作为等离子体天线将入射光局域化在定域的电磁场或光波导, 从而增强染料敏化太阳能电池光阳极的光捕获能力, 进而提高电池的光电转换效率.表面等离子体共振器件在拉曼光谱, 非线性光学材料, 光学天线和TiO2光催化, 高灵敏检测中都有广泛的应用. 同时, 表面等离子体共振效应在染料敏化太阳能电池中也备受关注. Tatsuma等报道了在等离子体表面共振效应的作用下, 纳米金粒子被光激发, 并发生电荷分离的现象. Martínez-Pastor等利用旋涂法制备了修饰了纳米金的SiO2, TiO2薄膜, 并研究了其紫外可见吸收特性. 在以上前沿研究的基础上, 研究者们在设计应用在染料敏化太阳能电池上的等离子体共振结构做了很多努力.
北京航空航天大学化学与环境学院翟锦等人研究了不同氧化钛薄膜和纳米金复合体系(纳米金分别修饰在氧化钛薄膜的表面和下表面)的光电转换效果, 其中当纳米金修饰在氧化钛薄膜表面时薄膜的紫外可见吸收增加最大. 然而, 经过染料敏化之后, 该体系的光电转换效率比未修饰的薄膜有所降低, 而纳米金修饰在氧化钛薄膜下表面时, 光电转换效率比未修饰时提高了37%,同时入射单色光子-电子转化效率(IPCE)也有相应提高. 为了进一步研究纳米金在复合薄膜中的作用, 为此他们们引入了TiO2-Au-TiO2的三明治体系, 该体系的光电转换效率比未修饰的参比氧化钛薄膜仍有所提高. 上述研究结果表明等离子体共振器件的结构设计对于染料敏化太阳能电池的改善具有重要意义. 同时,对于纳米金的等离子体共振效应做了离散偶极子近似(DipoleDiscrete Approximation)模拟计算, 其结果支持了实验数据. 该研究对于未来太阳能电池中表面等离子体共振器件的设计具有一定指导意义.