以ZnO納米棒陣列薄膜為光陽極的染料敏化太陽能電池研究.pdf

1、本文闡述了太陽能電池的研究發(fā)展與現(xiàn)狀，歸納總結(jié)出染料敏化太陽能電池的優(yōu)勢以及研究過程中存在的問題。染料敏化太陽能電池(Dye-sensitised Solar Cells，簡稱DSSC)是一種新型的薄膜太陽能電池，其制備工藝簡單，制作原料來源豐富，制備過程對環(huán)境友好，電池光電性能較穩(wěn)定，且成本低廉。而ZnO以其原材料豐富、廉價(jià)、無毒、透明導(dǎo)電性等特點(diǎn)，漸漸成為太陽能電池光陽極材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。采用溶膠-凝膠法以乙二醇甲醚為溶劑、醋酸鋅

2、為前軀體、二乙醇胺為穩(wěn)定劑、聚乙二醇為表面活性劑制備出了ZnO薄膜種子層。經(jīng)干燥、熱處理、高溫煅燒，最后制備出均勻、透明的氧化鋅薄膜。同時(shí)得到以下制備薄膜性能較優(yōu)良的工藝參數(shù)，主要包括溶膠濃度、對溶膠液的干燥溫度、時(shí)間及煅燒溫度。采用在低溫溶液中生長的方法，以硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合溶液為生長液，在ZnO種子層上制備ZnO納米棒陣列薄膜。使用X射線衍射(XRD)對ZnO納米粉體及其納米棒陣列薄膜進(jìn)行表征；使用掃描電子顯微鏡(SEM)、

3、電子順磁共振儀(EPR)、紫外可見光譜(UV-Vis)等手段對ZnO薄膜和納米棒陣列薄膜進(jìn)行了表征。并利用太陽能電池 I-V測試系統(tǒng)對組裝好的染料敏化太陽能電池的光電性能進(jìn)行測試。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴ZnO納米棒陣列薄膜制備的最佳制備條件是采用在低溫溶液中生長的方法，即以硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合溶液為生長液，在覆有 ZnO種子層的FTO導(dǎo)電玻璃上制備ZnO納米棒陣列薄膜(簡稱FTO/ZNA電極)，生長液濃度為0.025m

4、ol/L、ZnO薄膜豎直放置、生長的時(shí)間為4.5h以及制備ZnO種子層的前驅(qū)液中應(yīng)添加聚乙二醇。⑵XRD結(jié)果表明：氧化鋅納米粉體晶體為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，結(jié)晶性良好，無雜質(zhì)峰；氧化鋅納米棒陣列薄膜(FTO/ZNA電極)樣品各衍射面的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)的纖鋅礦結(jié)構(gòu)氧化鋅相匹配，屬于六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，衍射峰峰形窄且尖銳，除了少數(shù)幾個(gè)由 FTO導(dǎo)電玻璃中的物質(zhì)所引起的衍射峰外，沒有其他雜質(zhì)峰，說明采用低溫溶液生長法制備出的ZnO納米棒陣列薄膜純度很高

5、，其晶粒尺寸(48.6nm)比氧化鋅粉體(31nm)大，（002）晶面的擇優(yōu)取向性i(002)=0.846亦比粉體i(002)=0.214的好。絕大部分的ZnO納米棒是沿（002）晶面生長，即沿c軸擇優(yōu)取向生長。⑶SEM結(jié)果表明：表面活性劑聚乙二醇能夠防止納米氧化鋅薄膜在煅燒過程中出現(xiàn)納米顆粒團(tuán)聚、薄膜因退火而出現(xiàn)裂痕；生長時(shí)間的長短、生長液濃度、覆有種子層的基底放置方式對 ZnO納米棒陣列生長均有影響。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較得到以下結(jié)

6、果：FTO導(dǎo)電玻璃豎直放置在溫度為95℃、濃度為0.025mol/L的生長液中生長4.5h后得到的ZnO納米棒陣列薄膜排列相較于其他條件下生長的薄膜，形貌更規(guī)整，棒的尺寸分布均勻，平均直徑在100nm左右。⑷EPR結(jié)果表明：ZnO種子層和ZnO納米棒陣列薄膜在g=1.926處有較強(qiáng)的順磁吸收信號，該處信號峰與ZnO粉體的EPR信號峰位置接近，所以該信號可能是制備過程中產(chǎn)生的Zn-H鍵的信號位置，可作為FTO/ZNA電極與ZnO種子層的E

7、PR特征信號定性的判斷 FTO/ZNA電極的自由電子數(shù)比ZnO種子層多，使得FTO/ZNA電極的自由電子在電路中更易于傳輸。⑸紫外可見(UV-Vis)光譜結(jié)果表明：ZnO種子層和FTO/ZNA電極在紫外光區(qū)具有很強(qiáng)的吸收，且FTO/ZNA電極對紫外光的吸收強(qiáng)于ZnO種子層，而二者對可見光均無吸收。被鋅卟啉染料敏化后的FTO/ZNA電極在可見光范圍內(nèi)具有了吸收波段，在426nm處存在較強(qiáng)的吸收峰，這主要是由鋅卟啉染料對可見光的吸收引起的，