氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的制備、表征及在染料太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用.pdf

1、能源危機(jī)迫使人類(lèi)尋找和開(kāi)發(fā)新的綠色可再生能源。其中，染料敏化太陽(yáng)能電池是（DSSC），因其原材料價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單，成本僅為晶體硅系太陽(yáng)能電池的10％-20%,適于進(jìn)行批量生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了廣泛關(guān)注。目前，基于TiO2作為光陽(yáng)極制備的DSSC的研究已有較多報(bào)道。由于ZnO常溫下禁帶寬度（3.37eV）與銳鈦礦型 TiO2（3.2eV）相近，導(dǎo)帶電位相差很小，且電子遷移率高于TiO2，理論上可以獲得更好的性能，同時(shí)，由于

2、ZnO的制備方法更加多樣化，形貌可控，有望進(jìn)一步降低DSSC成本，因此ZnO被認(rèn)為是最有希望取代TiO2的光陽(yáng)極材料，但ZnO的哪種納米結(jié)構(gòu)最有利于獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率仍是值得系統(tǒng)和深入研究的課題。
　　為此，本文采用溶液法制備了納米薄膜、納米顆粒、納米棒、納米線(xiàn)、納米球、以及納米復(fù)合結(jié)構(gòu)(納米顆粒/納米球、納米顆粒/納米線(xiàn))等多種納米結(jié)構(gòu)ZnO及相應(yīng)的DSSC；利用XRD、SEM、AMBIOS和紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)等測(cè)試手段對(duì)

3、納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)等性能進(jìn)行了表征和分析，利用電流-電壓特性分析了DSSC的性能。主要內(nèi)容總結(jié)如下：
　　1)通過(guò)溶膠凝膠法在玻璃襯底上多次旋涂制備了氧化鋅薄膜。主要研究了退火溫度（350-600°C）和醋酸鋅濃度（分別為0.35，0.5和0.65mol/L）對(duì)ZnO薄膜表面形貌及光學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：隨退火溫度的升高以及醋酸鋅濃度的升高，ZnO薄膜的c軸取向性提高，晶粒尺寸從16.6 nm增長(zhǎng)到19.7 nm；隨著退

4、火溫度的增加，ZnO薄膜光學(xué)帶隙減小；透光率隨凝膠濃度的增加而增加。當(dāng)Zn的濃度從0.35M增加到0.65M時(shí)，ZnO光學(xué)帶隙能量從3.307eV減小到3.227eV，然而Urbach能量從68.2meV增加到82.4meV。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)薄膜中存在張應(yīng)力，當(dāng)隨著退火溫度增加至500℃時(shí)張應(yīng)力變小，而進(jìn)一步增加溫度至600℃時(shí)，ZnO薄膜的應(yīng)力由張應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。隨Zn濃度的變化ZnO薄膜中的應(yīng)力變化與上面具有相同的變化趨勢(shì)。
　

5、　2)采用旋涂和水熱結(jié)合法在FTO晶種襯底上成功制備了ZnO納米棒陣列薄膜。發(fā)現(xiàn)：在晶種溶液中添加PEI時(shí)，ZnO納米棒變得密集而整齊；在生長(zhǎng)液中添加PEI時(shí)，納米棒變得細(xì)而長(zhǎng)。這些均有利于提高染料吸收和DSSC的光伏性能?；谠谏L(zhǎng)液中添加PEI所制備的DSSC的轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到1.18%，比生長(zhǎng)液中沒(méi)有添加PEI時(shí)制得的DSSC提高了84%。同時(shí)，填充因子和電流密度分別提高了18%and52%。
　　3)研究了生長(zhǎng)時(shí)間、PEI和

6、NH4OH對(duì)旋涂和水浴結(jié)合法制備的ZnO納米線(xiàn)的形貌及相應(yīng)DSSCs的影響。結(jié)果表明：生長(zhǎng)液中添加PEI和NH4OH后，隨著生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，納米棒變得細(xì)而長(zhǎng)，可提高相應(yīng)DSSCs的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。將在含PEI和NH4OH的生長(zhǎng)液中所制備的ZnO納米線(xiàn)作為的光電陽(yáng)極所封裝的DSSC的轉(zhuǎn)換效率為1.25%，遠(yuǎn)高于不含PEI和NH4OH情況下制備的DSSCs的轉(zhuǎn)換效率(0.58%)。
　　4)成功制備了ZnO納米顆粒/納米球和納米

7、線(xiàn)/納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的DSSC。發(fā)現(xiàn)：與氧化鋅納米顆粒為光電極制備的DSSC相比，氧化鋅納米球DSSC的轉(zhuǎn)化效率提高了63%；與只由納米線(xiàn)制備的DSSC相比，納米線(xiàn)/納米顆粒封裝的DSSC的轉(zhuǎn)化效率提高了34%，即基于四種納米結(jié)構(gòu)DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率從大到小為：NP+NW>NS>NW>NP；這表明納米球聚合物以及復(fù)合納米結(jié)構(gòu)比納米顆?；騿为?dú)的納米線(xiàn)更適合作為光電陽(yáng)極。
　　總的來(lái)看，論文在采用廉價(jià)方法制備多種納米結(jié)構(gòu)ZnO