Submicron-scale Au-decorated TiO2 mesoporous spheres for enhanced photon harvesting in DSSCs through near-field enhancement, light scattering, and dye loading

材料科学 介孔材料 球体 散射 光散射 色素敏化染料 近场和远场 光电子学 纳米技术 光学 化学 电极 物理 生物化学 电解质 天文 物理化学 催化作用
作者
Dhavalkumar N. Joshi,Anil Kumar Pal,R. Krishnapriya,Arun Prasath Ramaswamy
出处
期刊:Frontiers in Materials [Frontiers Media]
卷期号:11
标识
DOI:10.3389/fmats.2024.1457325
摘要

Light harvesting materials are crucial for capturing the sunlight in a device such as a solar cell for better efficiency. In this study, we developed high surface area, submicron-sized TiO 2 spheres (MTS) incorporated with anisotropic Au nanoparticles (Au_MTS) to create highly light-absorbing photoanodes for enhanced dye-sensitized solar cell (DSSC) efficiency. The high surface area of MTS (∼125 m 2 /g) allows for increased dye-loading, while their submicron size (150–300 nm) provides superior light-scattering capabilities for significantly enhancing the photoanode’s light absorption. Furthermore, incorporating of anisotropic Au nanoparticles enables broadband surface plasmon resonance (SPR) coupling, synergistically boosting photon harvesting in the Au_MTS photoanodes. The interconnected tiny TiO 2 nanoparticle network in MTS supports charge carrier generation and transport, providing ample sites for dye adsorption and efficient electron pathways. Au_MTS with varying amounts of Au nanoparticles synthesized by a greener microwave-assisted synthesis method and DSSC devices were fabricated and compared with devices made from pristine MTS and P25 nanoparticles. The optimal Au_MTS device, containing ∼1.3 wt% Au nanoparticles, achieved a maximum power conversion efficiency (PCE) of ∼7.7%, representing improvements of ∼40% and ∼60% over pristine MTS (PCE of ∼5.2%) and P25 nanoparticles (PCE of ∼4.71%), respectively. Overall, this work demonstrates the effectiveness of plasmonic mesoporous photoanodes in enhancing DSSC performance through improved photo response, light scattering, and dye loading.

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