多酸/ZnO光伏电池的构建和性能研究

【摘要】：太阳能作为最清洁的可持续性能源，已经成为传统化石燃料的一种替代能源。ZnO是一种很有前途的宽带隙半导体氧化物。ZnO和TiO2的导带能级位置大致相同，但ZnO的电子迁移率要比TiO2高得多。众所周知，高的电子迁移率对光生电子的收集极为有利。提高ZnO光伏响应的一个明智的策略是将电子接受体引入到ZnO膜中，以有效地抑制光激发电子-空穴的复合的和提高电荷转移性能。 多金属氧酸盐（多酸）是一种很好的电子接受体，它可以通过捕获半导体导带（CB）中的光生电子来提高电子转移速率。多酸也可能作为电子接受体将ZnO导带中的电子转移到惰性电极，从而提高整体的光电转换效率。这样的供体-受体结构可以有效的阻止电子和空穴对复合，以提高ZnO的光伏响应。我们通过电化学沉积的方法制备了包含多酸（SiW12）和ZnO的光敏电极。电化学沉积能够精确的控制膜形貌，而且更重要的是，能够增强SiW12-ZnO和导电基底之间的电接触。用SiW12-ZnO复合膜作为太阳能电池的光阳极，光电转换效率可达0.79％。 为进一步研究多酸对ZnO无机半导体材料光电性能的影响，分别利用电沉积方法和刮涂法在ITO导电玻璃上制备了ZnO/TiO2、ZnO/SiW12/TiO2、ZnO/N719、和ZnO/SiW12/N719等复合膜，对其形貌进行了表征，并以其作光阳极制备了光伏电池，通过对它们光伏特性曲线（I-V曲线）的测试，性能参数的比较，对各种ZnO薄膜中引入SiW12所起的光伏特性参数的变化进行了研究，结果显示多酸的引入使ZnO/TiO2光伏电池的各项光伏性能参数都有明显增加，特别对ZnO/N719复合膜光伏电池的影响更显著，使其光电转换效率增加一倍多，从0.47%达到0.97%。进一步证明了多酸具有捕获和传输光生电子的作用，在提高光伏电池的转换率方面有很大的潜在应用价值。 酞菁不仅是有机半导体，而且是具有高吸收系数的敏化剂，并且具有好的化学稳定性、与ZnO有良好的兼容性。因此，在酞菁或它的衍生物中电沉积ZnO已经被提议作为一种新颖的方法来制备用于染料敏化太阳能电池的光阳极材料。我们通过恒电压模式一步电沉积了ZnO与四磺酸基铜酞菁（CuTsPc）的复合膜（ZnO/CuTsPc），表征了此复合膜的形貌等，并将此复合膜组装成染料敏化太阳能电池，考察了其光伏性能。光电测试结果表明，CuTsPc在提高光电性能上起到了重要的作用。该CuTsPc可以吸收更多的入射光子，从而导致加速电荷转移和有效的抑制界面复合。实验结果表明，与基于ZnO膜的太阳能电池相比较，基于ZnO/TCusPc膜的染料敏化太阳能电池的能量转换效率提高了3倍。