鋅基染料敏化太陽能電池的構(gòu)建及光電轉(zhuǎn)化機(jī)理研究.pdf

1、納米科學(xué)技術(shù)作為21世紀(jì)三大科學(xué)技術(shù)之一受到全世界的廣泛重視。納米半導(dǎo)體材料由于具有寬禁帶寬度，高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，在電子器件、航天、新能源等許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。近年來，以納米ZnO為光陽極材料的染料敏化太陽能電池由于其廉價(jià)、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)受到了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注，但其光電轉(zhuǎn)化效率較低以及光電轉(zhuǎn)化機(jī)理仍處于爭(zhēng)論之中。本文圍繞著ZnO基染料敏化太陽能電池的構(gòu)建及光電轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行了研究，主要針對(duì)新型非

2、金屬摻雜、金屬摻雜氧化鋅材料的制備以及光電性轉(zhuǎn)化的作用機(jī)理展開了研究，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，得到了一些新規(guī)律。具體的研究進(jìn)展如下:
　　1.本文報(bào)道了一種溶劑熱法制備的碘摻雜ZnO(I-ZnO)納晶聚集體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:I-ZnO納晶聚集體呈現(xiàn)多級(jí)分散結(jié)構(gòu)，球粒徑為50-550nm，每個(gè)聚集體是由15-20nm納晶組成，I在ZnO中的含量約為2.1wt％。以此制備了厚度為5μm的I-ZnO薄膜，與純ZnO薄膜相比，I-ZnO的拉曼光譜

3、在202cm-1出現(xiàn)了碘的特征峰，紫外可見吸收邊緣由370nm紅移到410nm，電子復(fù)合時(shí)間的半衰期由35.1μs延長(zhǎng)到49.2μs。
　　2.基于內(nèi)容1的研究，構(gòu)建了以N719和D205兩種染料敏化的ZnO和I-ZnO染料敏化太陽能電池(分別記作ZnO/N719、I-ZnO/N719、ZnO/D205、I-ZnO/D205)，并對(duì)光電轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn):D205敏化電池比N719敏化電池有更高的光電轉(zhuǎn)化效率，I-ZnO電

4、池比ZnO電池有更高的光電轉(zhuǎn)化效率，其中I-ZnO/D205的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了4.44％;通過對(duì)碘摻雜前后ZnO的平帶電位計(jì)算發(fā)現(xiàn)，碘摻雜后ZnO的平帶電位由-0.52V負(fù)移到-0.60V,從而使得I-ZnO電池?fù)碛懈叩拈_路電壓;對(duì)薄膜進(jìn)行表面電勢(shì)研究發(fā)現(xiàn)，碘摻雜后表面電勢(shì)的明暗電勢(shì)差變大，促進(jìn)了光生電子與空穴的分離，增強(qiáng)了電子由染料LUMO注入到ZnO導(dǎo)帶的驅(qū)動(dòng)力;IPCE結(jié)果顯示碘摻雜在400-800nm整個(gè)波段都能增強(qiáng)ZnO對(duì)

5、光的響應(yīng)能力，提高了光利用效率，同時(shí)發(fā)現(xiàn)與N719的峰響應(yīng)不同，D205染料在500-600nm處有一個(gè)平臺(tái)響應(yīng);碘摻雜還起到了降低電子傳輸阻抗，延長(zhǎng)電子壽命的作用。
　　3.制備了不同比例銪摻雜ZnO(Eu-ZnO)納晶聚集體，并首次將其應(yīng)用于染料敏化太陽能電池領(lǐng)域，考察了銪摻雜對(duì)電池光電性能的影響，并對(duì)光電轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Eu-ZnO納晶聚集體呈現(xiàn)多級(jí)分散結(jié)構(gòu)，球粒徑為100-400nm，每個(gè)聚集體是由～18n

6、m納晶組成，對(duì)于7.5％mol的Eu摻雜比，Eu在ZnO中的實(shí)際平均摻雜量為3.8mol％;以此制備了厚度為12μm的Eu-ZnO薄膜，通過對(duì)薄膜的XRD、STEM、XPS分析得出:銪元素成功的摻雜到ZnO晶胞中，而且分布均勻，其中銪離子以二價(jià)態(tài)和三價(jià)態(tài)的形式共同存在于Eu-ZnO中。通過對(duì)不同比例銪摻雜染料敏化太陽能電池的光電性能測(cè)試發(fā)現(xiàn):當(dāng)銪摻雜比為7.5mol％時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高，達(dá)到了4.7％，在引入一層ZnO致密層后，

7、效率提高到5.7％，并且具有較好的穩(wěn)定性，30天后效率僅衰減小于6％。通過對(duì)薄膜的光學(xué)性能和電化學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，Eu摻雜量由0％mol增加到10％mol，Eu-ZnO薄膜的顏色由白色逐漸變?yōu)樽攸S色，禁帶寬度從3.33eV變窄到3.19eV，提高了對(duì)太陽光的利用率;在銪摻雜比為0-7.5％mol時(shí)，薄膜的電阻率由7.6Ωcm減小到4.1Ωcm，當(dāng)銪摻雜比為10％mol時(shí)薄膜的電阻率又增加到5.2Ωcm;隨著銪摻雜量增加，ZnO的平帶電位由

8、-0.6V正移到-0.3V，增強(qiáng)了電子從染料的LUMO注射到半導(dǎo)體導(dǎo)帶的驅(qū)動(dòng)力從而提高電子的注入能力;7.5mo1％Eu-ZnO電池具有最低的界面?zhèn)鬏旊娮?18.2Ω)和最長(zhǎng)的電子壽命(9.9ms)，銪摻雜增加了電子的傳輸能力。
　　4.報(bào)道了一種ZnO致密層和TiO2保護(hù)層共修飾I-ZnO染料敏化太陽能電池體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:ZnO致密層和TiO2保護(hù)層修飾的I-ZnO電池在光電轉(zhuǎn)化效率上有明顯的提高，達(dá)到了6.79％，比I-Z