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ZnO基复合结构的制备及其染料敏化太阳能电池性能的研究

柏特  
【摘要】:染料敏化太阳能电池(DSSCs)自1991年被报道以来,很快成为材料工作者们的研究热点。虽然现阶段染料敏化太阳能电池的光电转化效率仍比硅基太阳能电池的光电转化效率低,且其成品电池的稳定性还待进一步提高,但是由于其具有简单的制备工艺,丰富的原料来源,相对低廉的制作成本,而且对环境友好无污染等特点,因此具有较高的研究价值和很好的市场前景,可能会成为未来太阳能电池的主导,被誉为第三代太阳能电池。ZnO和Ti O2是染料敏化太阳能电池中最常用的两种光阳极半导体材料。Ti O2用于染料敏化太阳能电池光阳极材料已有很长历史,很多染料敏化太阳能电池的记录都由Ti O2保持,然而Ti O2基染料敏化太阳能电池光电转化效率的进一步提高却被种种因素限制,其中最主要的因素就是由于光生电子在Ti O2与染料分子和电解质界面处的再复合,造成光生电子大量的减少及能量损失,从而影响电池的最终效率。和Ti O2相比,ZnO具有电子传输效率高、制作方法简单、形貌易于控制等特点,从而受到越来越多的关注并被用于染料敏化太阳能电池光阳极。尽管目前ZnO基染料敏化太阳能电池效率仍低于Ti O2,但其提高的空间还非常大。本文通过溶液生长法和固相法等简易的制备方法制备出各种形貌的ZnO纳米材料,然后将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极,组装成电池后对其光电性能及其机理进行研究和分析。本文采用钌的配合物染料(N719染料)作为光敏化剂,用Pt电极作为对电极。电池组装好以后滴加电解液,在氙灯模拟太阳光光源的照射下(AM1.5,100m W/cm2)测试其光电性能。结果显示,固相法制备的ZnO纳米多维球和溶液生长法制备的ZnO纳米棒按照一定的比例混合的复合材料组装的染料敏化太阳能电池展现出了很高的光电转化效率。通过XRD、SEM、EIS和紫外-可见漫反射等表征手段对所得ZnO样品的结构、形貌、阻抗和染料吸附等特性进行表征。结果解释说明了ZnO纳米多维球的多维结构和大的比表面积能增大染料的吸附量,一维结构的ZnO纳米棒具有很高的电子传输效率,而且能给电子提供快速的传输路径,可以缩短光生电子在光阳极薄膜中的传输时间,从而可以减少电子的再复合。ZnO纳米棒和ZnO纳米球的复合材料既能吸附大量染料从而产生足够的光生电子而且电子能够较快的传输到FTO导电玻璃基底上,能量损耗很少,从而能很大的提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。将所制备的ZnO纳米棒用KOH,H2O2,低温冷冻等方式处理后,ZnO纳米棒会被腐蚀而变得粗糙,将这样特殊形貌的ZnO纳米棒再与ZnO纳米球混合,组装电池后显示出了更高的光电转化效率。通过XRD、SEM、TEM、EIS和紫外-可见漫反射等表征手段表征后可以发现经过后处理的ZnO纳米棒不再呈现规则的棒状形貌,而是具有粗糙不规则的表面和部分中空的内部结构,这样特殊形貌的ZnO纳米棒不但具有高的电子传输效率,而且有更大的比表面积,从而能够更进一步地提高电池的光电转化效率。


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