ZnO復(fù)合Bi2Te3熱電材料光陽(yáng)極的制備及其應(yīng)用.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)作為第三代太陽(yáng)能電池，其價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單，在新能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。DSSC中的光陽(yáng)極對(duì)染料吸附量、光捕獲、電輸運(yùn)有著重要影響，對(duì)器件的光電轉(zhuǎn)換效率是至關(guān)重要的。ZnO為 II-VI族寬禁帶半導(dǎo)體，具有資源豐富、電子遷移率高、合適的帶邊、易于低溫制備、便于調(diào)控形貌等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望取代 TiO2的光陽(yáng)極材料。但目前 ZnO基DSSC效率普遍偏低，有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為其在光伏器件方面

2、的應(yīng)用建立一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　傳統(tǒng)的光陽(yáng)極薄膜為疏松多孔的納米顆粒結(jié)構(gòu)，其比表面積較大，但電子傳輸效率低。一維結(jié)構(gòu)的納米材料雖然比表面積小，但電子擴(kuò)散系數(shù)高，能為電子傳輸提供直接通道。將納米顆粒與1維納米材料復(fù)合有利于電輸運(yùn)性能的提升。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)染料敏化太陽(yáng)能電池工作中的溫升造成了電池效率和壽命的降低，而造成溫升的主要原因是太陽(yáng)光譜中的近紅外光不能被光伏轉(zhuǎn)換所利用。Bi2Te3是室溫下最好的熱電材料，其熱電優(yōu)值(ZT值

3、)能達(dá)到“1”。為此，本文提出將ZnO納米顆粒與具有優(yōu)良熱電性能的1維Bi2Te3納米管直接復(fù)合制備光陽(yáng)極，以便有效利用光產(chǎn)生的熱，進(jìn)一步提高DSSC的效率。
　　本文制備了 ZnO納米棒陣列光陽(yáng)極、ZnO納米粒/ZnO納米棒復(fù)合光陽(yáng)極和ZnO納米粒/Bi2Te3納米管復(fù)合光陽(yáng)極，并應(yīng)用于DSSC。利用XRD、SEM、TEM和UV等方法表征光陽(yáng)極薄膜的成分與形貌結(jié)構(gòu)，采用電流-電壓輸出特性(J-V)、外量子效率譜(EQE)、電化學(xué)

4、阻抗譜(EIS)分別研究了三種光陽(yáng)極中 ZnO晶種層中Ga摻雜濃度、ZnO納米棒復(fù)合含量以及Bi2Te3納米管復(fù)合含量對(duì)DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率和電輸運(yùn)性能的影響。得到的主要結(jié)果如下：
　?、俨捎肧ol-gel法制備了GZO晶種層(Ga摻雜濃度為0-4 at.％)，再用水熱法在該晶種層上合成了ZnO納米棒陣列。發(fā)現(xiàn)：隨著Ga濃度增加，ZnO納米棒的平均直徑和密度逐漸減小，而其長(zhǎng)度呈相反的趨勢(shì)。
　?、谥苽淞嘶贕ZO晶種層的Z

5、nO納米棒陣列光陽(yáng)極，應(yīng)用于DSSC。J-V特性表明，晶種層中摻入Ga后DSSCs的效率得到顯著提高。染料吸附量測(cè)試、EQE和EIS表明，效率提高歸因于染料吸附量、電子傳輸效率和電子收集效率的提升。
　　③制備了ZnO納米粒/ZnO納米棒復(fù)合光陽(yáng)極(ZnO納米棒含量為0.0-0.2 at.%)，應(yīng)用于DSSC。研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米棒含量增加，DSSC的效率先升高后降低。復(fù)合含量為0.15 at.%時(shí)獲得最高的效率為3.80%，比純Z

6、nO的高出28.4%。EIS結(jié)果表明，一維結(jié)構(gòu)的 ZnO納米棒不僅能夠?yàn)殡娮觽鬏斕峁┲苯油ǖ?，還能有效地抑制電荷的復(fù)合，從而顯著的提高電子傳輸效率。
　?、懿捎脙刹揭合喾ê铣闪碎L(zhǎng)度和直徑分別為1~2μm和50 nm，厚度約為15 nm的高結(jié)晶、斜六面體Bi2Te3納米管。納米管的形成機(jī)制可歸因于Kirkendall效應(yīng)。
　?、葜苽淞薢nO納米粒/Bi2Te3納米管復(fù)合光陽(yáng)極(Bi2Te3納米管含量為0-2.5 wt.%)，

7、并應(yīng)用于 DSSC。J-V特性顯示出，Bi2Te3納米管復(fù)合能顯著提高 DSSCs的效率。隨著B(niǎo)i2Te3含量增加，效率先升高后降低。含1.5wt.%Bi2Te3的DSSC效率最高，為4.27%，比純ZnO的高出44.3%。EIS分析表明，Bi2Te3納米管能夠?yàn)殡娮觽鬏斕峁┲苯油ǖ?，延長(zhǎng)電子壽命，抑制電荷復(fù)合，提高電子傳輸效率。熱電效應(yīng)分析表明，ZnO/Bi2Te3復(fù)合光陽(yáng)極能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)光電和熱電轉(zhuǎn)換，提高電子濃度，抑制電池溫升、減緩