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ZnO有序多孔薄膜的模板组装及电极性能

刘志锋  
【摘要】: 纳米晶光伏太阳能电池(NPC)以其简单的工艺、低廉的成本及可实现规模化生产等优势成为绿色能源领域的研究热点。本文综述了太阳能电池、ZnO薄膜及模板法合成多孔材料的发展,研究了NPC太阳能电池中n-电极ZnO多孔薄膜的模板法制备,探讨了由其组成的电极的电池性能特征。 本文将表面活性剂聚乙二醇(PEG)引入锌溶胶,探讨了PEG在薄膜多孔结构形成中的作用,即锌低聚体和PEG分子为主要组成的“凝胶相”和以溶剂混合物为主要组成的“流体相”通过分相反应成孔。体系中Zn(CH3COO)2?2H2O的浓度以0.6 mol/L为佳;薄膜的孔密度及孔径随PEG分子量的增加而增大,孔径约在90~330nm;孔的数量与PEG加入量、水浴温度、水浴时间及溶剂等密切相关;多孔薄膜的透光率在波长大于430nm后保持在80%以上,Eg值约为3.25eV。 本文采用浸渍—提拉工艺在玻璃基片上组装聚苯乙烯微球(PS)胶晶模板并在模板微球间隙内填充锌溶胶。研究表明:PS模板组装过程包括对流输运、结晶成核及晶体生长三部分;模板主要为面心立方(FCC)密堆积结构;溶胶填充过程可以避免滴加量难控的问题;所用锌溶胶浓度在0.3mol/L至0.6mol/L的范围内为宜,模板浸渍时间以3min较为适当;薄膜孔径相对于PS粒径约有14.1~33.1%的收缩;煅烧后的ZnO为六方纤锌矿结构,粒径约为25nm;薄膜透光率在波长大于550nm后保持在80%以上,Eg值较致密膜略有降低,约为3.22eV。 文章探讨了PS模板/Zn(NO3)2?6H2O水溶液体系的阴极电沉积化学反应过程,分析了沉积电位、沉积液浓度及沉积温度对薄膜沉积过程、微观结构及性能的影响。结果表明:在整个沉积过程中Zn2+的存在对NO3-的还原起着类催化作用,反应初期存在诱导期;电流密度及沉积速率随沉积电位绝对值、Zn2+浓度及沉积温度的增加而增大;工艺参数对薄膜结构和性能影响较大,当硝酸锌的浓度为0.1mol/L、沉积电位为–1.1V、沉积温度为70℃时,制备的ZnO多孔薄膜有序度较高、表面缺陷较少,透光率及Eg值较高。 以PS模板/电沉积技术制备的ZnO多孔薄膜为n-电极,组装NPC电池,电池的开路电压和短路电流随薄膜形貌波动较大,在薄膜孔径小、有序度高、缺陷少时相对较高。


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