上转换发光稀土纳米氟化物/介孔TiO2复合光阳极的构筑

染料敏化太阳能电池以其低廉的成本、简单的工艺和易于重复等优点，受到国内外的广泛关注。TiO2光阳极作为染料吸附的载体和光生电子传输的通道是染料敏化太阳能电池的关键部件，在很大程度上决定了电池的光电转化效率。本项目拟在有序介孔TiO2薄膜表面或孔道内沉积生长稀土掺杂氟化物上转换纳米晶，利用所得复合薄膜制成光阳极，以期能够把长波可见光和近红外光转化为染料可以充分吸收的可见光，拓宽光阳极的光响应频带，提高电池的光电性能。控制稀土纳米晶的尺寸、形貌、生长位点及复合量，并通过一系列探针反应，揭示复合电极的晶面/界面效应。结合表面光电压谱和瞬态光电流谱，运用量子化学方法模拟染料分子/复合电极及其在电解质环境下的光诱导电荷转移动力学，分析电池光诱导电荷转移的微观机制，从而有针对性地改善TiO2、稀土纳米晶和染料之间的界面相互作用，提高电子注入效率，抑制电子-空穴复合，设计出高效的复合光阳极材料。

染料敏化太阳能电池以其低廉的成本、简单的工艺和易于重复等优点，受到国内外的广泛关注。TiO2光阳极作为染料吸附的载体和光生电子传输的通道是染料敏化太阳能电池的关键部件，在很大程度上决定了电池的光电转化效率。本项目中，我们将稀土氟化物引入到染料敏化太阳能电池的光阳极，利用稀土离子的上转换发光特性以及氟化物声子能量低的优点，减小无辐射跃迁损失，克服稀土离子简单掺杂所带来的荧光猝灭效应，提高了光阳极对长波可见光和近红外光的捕获能力，抑制了电子-空穴复合，从而提高了染料敏化太阳能电池的光电转化效率。获得主要成果如下：.（1）稀土纳米荧光材料的可控制备及性能优化：.合成了一系列稀土纳米荧光材料，包括稀土离子掺杂的NaYF4、La2Ti3O9.5、NaLnW2O8、NaLn(MoO4)2、Au/Y2O3、Ag/Y2O3、Y2O3/C3N4和SrWO4等纳米晶。通过对基质材料、掺杂稀土离子的选择与优化，通过对纳米材料形貌的控制等研究过程，提高样品的发光性能。.（2）稀土纳米荧光材料在染料敏化太阳能电池中的应用.我们将具有发光功能的NaYF4:Yb3+/Er3+纳米晶和石墨烯/NaYF4:Yb3+/Er3+纳米复合材料引入到染料敏化太阳能电池的光阳极，提高了电池的光电转换效率。随着NaYF4:Yb3+/Er3+的比例在复合电池中的增加，短路电流Isc先增加后降低。掺杂NaYF4:Yb3+/Er3+后，由于TiO2的含量的减少导致染料的吸附量有所降低。TiO2-NaYF4:Yb3+/Er3+复合电池的TiO2-染料|I3-/I-电解质的界面电阻要大于纯TiO2电池的界面电阻，说明NaYF4:Yb3+/Er3+的掺杂不利于FTO|TiO2的界面电子传输。此外，通过引入NaYF4:Er3+/Yb3+-石墨烯复合材料，复合电池中TiO2-染料|I3-/I-电解质的界面电阻明显减小， NaYF4:Er3+/Yb3+/石墨烯的引入有利于FTO| TiO2的界面电子传输。相比纯的TiO2电池，TiO2-NaYF4:Er3+/Yb3+/石墨烯复合电池有着更短的电子传输时间和更长的电子复合时间，电荷收集效率明显提高。