ZnO-TiO2基染料敏化太陽能電池光陽極結(jié)構(gòu)設計與研究.pdf

1、隨著環(huán)境問題和能源危機的急劇加重，人們對清潔能源的關注越來越多。太陽能是一種儲量豐富的清潔能源，合理的開發(fā)和利用太陽能將會大大地改善人們的生活。目前使用最多的太陽能電池是硅基太陽能電池。雖然這種電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但是其制備工藝復雜、價格昂貴。作為太陽能電池的一種，染料敏化太陽能電池具有廉價、穩(wěn)定、高效、容易制作等優(yōu)點，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。為了能夠進一步地提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，世界各地的科學家們都做出了很

2、大的努力。
　　染料敏化太陽能電池的光陽極結(jié)構(gòu)對其光電轉(zhuǎn)換效率有很大影響。納米技術的發(fā)展為納米材料的結(jié)構(gòu)設計打開了一扇大門。有目的改變納米材料的結(jié)構(gòu)是一種提高染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要手段。光陽極結(jié)構(gòu)的比表面積、電子傳輸性能以及光散射性能等因素與電池的光電轉(zhuǎn)換效率有著很大的關系。合理的設計電極結(jié)構(gòu)，可以使電池具有優(yōu)秀的光電轉(zhuǎn)換性能。本論文，旨在用有效、簡單的方法，設計并開發(fā)出具有不同特點的電極結(jié)構(gòu)來提高染料敏化太陽能電池

3、的光電轉(zhuǎn)換效率。本文實現(xiàn)了在FTO導電基底上超長ZnO納米線陣列、核殼結(jié)構(gòu)以及基于ZnO/TiO2材料為基礎的復合結(jié)構(gòu)電極的設計與制備，并探討了不同光陽極結(jié)構(gòu)的可控合成、相關性質(zhì)及其對電池性能影響，充分展示了光陽極結(jié)構(gòu)設計的重要性，為合成新型電極結(jié)構(gòu)提供了實驗和理論依據(jù)。
　　研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　(1)一維超長ZnO納米線的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應用
　　利用簡單的水熱方法，實現(xiàn)了在FTO導電

4、基底上合成大面積超長ZnO納米線陣列。探究了氨水濃度、鋅鹽種類以及更換反應溶液等因素對納米線陣列的形貌影響。通過改變實驗條件，得到了不同長度的納米線陣列。值得強調(diào)的是，實驗中僅通過更新一次反應溶液，就得到了24μm的ZnO納米線陣列。研究了不同長度ZnO納米線陣列作為光陽極，染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。實驗結(jié)果表明，納米線的長度對染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率有著非常重要的影響。隨著納米線陣列長度的增加，電池的光電轉(zhuǎn)換效率逐步提升

5、。
　　(2) ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應用
　　基于上面ZnO納米線陣列的研究，以不同長度ZnO納米線為前驅(qū)體，以溶解在乙醇溶液中的鈦酸丁酯為鈦源，采取簡單的“快速浸漬”辦法，成功在FTO導電基底上制備ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)。有效的解決了ZnO在酸性染料中不穩(wěn)定的問題。將不同長度ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)作為光陽極，應用到染料敏化太陽能電池上。結(jié)果表明，TiO2殼的包覆和納米線的

6、長度對提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率有非常重要的作用。特別是當陣列的長度達到14μm時，ZnO@TiO2核殼結(jié)構(gòu)最高光電轉(zhuǎn)換效率可達3.80％。這個值是相同長度ZnO納米線陣列的2.6倍。
　　(3) ZnO/TiO2復合雙層結(jié)構(gòu)薄膜的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應用
　　設計了取向TiO2納米棒陣列與交錯排布的ZnO納米短棒的復合雙層結(jié)構(gòu)薄膜。通過簡單的水熱反應成功制備了TiO2納米棒陣列。然后通過熱蒸發(fā)的方法，在TiO2納米

7、棒陣列上層形成ZnO納米短棒薄膜層，實現(xiàn)了ZnO/TiO2復合薄膜的制備。非常有趣的是，在熱蒸發(fā)的過程中，相鄰TiO2納米棒之間的空間也被很好的利用，在TiO2納米棒間嵌入了大量ZnO納米顆粒。實驗中以ZnO/TiO2復合雙層結(jié)構(gòu)薄膜為光陽極，組裝成染料敏化太陽能電池。測試結(jié)果表明，TiO2納米棒陣列與ZnO納米短棒復合結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換效率可以達到4.36％。這個值明顯的高于單純ZnO納米短棒薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率(3.10％)。復合結(jié)構(gòu)光電

8、轉(zhuǎn)換效率提升歸結(jié)于TiO2納米棒與ZnO納米短棒的協(xié)同作用。在復合結(jié)構(gòu)中，頂層的ZnO納米短棒提供了大的比表面積來吸附染料。底層的TiO2納米棒不但作為直接的電子傳輸通道使得電子能快速轉(zhuǎn)移，而且還具有阻擋層的作用，阻礙了電解液與導電玻璃的直接接觸，減少了電子復合。
　　(4) ZnO/ZnO復合結(jié)構(gòu)薄膜的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應用在ZnO/TiO2復合雙層結(jié)構(gòu)設計的基礎上，對電極材料進行進一步改良，設計了ZnO/ZnO復

9、合雙層結(jié)構(gòu)薄膜。ZnO/ZnO復合結(jié)構(gòu)包括兩部分:取向的ZnO納米線陣列作為底層，以交錯排布的ZnO納米短棒為頂層。復合結(jié)構(gòu)兼具大的比表面積，快速的電子轉(zhuǎn)移能力，卓越的光散射性能等優(yōu)點，非常適合應用為染料敏化太陽能電池的光陽極材料。以這種復合結(jié)構(gòu)作為染料敏化太陽能電池的光陽極，經(jīng)過測試，復合結(jié)構(gòu)確實表現(xiàn)出出色的光電轉(zhuǎn)換性能，其光電轉(zhuǎn)換效率可以達到5.16％。這個值明顯地高于同樣長度的ZnO納米線陣列(1.45％)和交錯排布的ZnO納米短

10、棒薄膜(3.31％)的光電轉(zhuǎn)換效率。實驗結(jié)果充分表明，復合結(jié)構(gòu)電極的設計在提高染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率上具有一定的優(yōu)越性。
　　(5) TiO2納米棒與P25膜復合結(jié)構(gòu)的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應用
　　為了能夠優(yōu)化染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，設計了一種新穎、有效的復合結(jié)構(gòu)電極。復合結(jié)構(gòu)由P25納米顆粒薄膜和嵌插在P25膜內(nèi)及表面的TiO2納米短棒組成。P25膜內(nèi)的TiO2納米短棒像一張網(wǎng)一樣連接著不同地

11、方的P25顆粒。P25膜表面上，TiO2納米短棒呈現(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以增加電池的光捕獲能力。實驗中采用涂刮法和水熱方法，在FTO導電基底上，實現(xiàn)了這種有趣的復合薄膜的制備。將P25/TiO2復合結(jié)構(gòu)應用在染料敏化太陽能電池的光陽極上。研究發(fā)現(xiàn)，P25/TiO2復合結(jié)構(gòu)具有非常優(yōu)秀的光電轉(zhuǎn)換性能。在AM1.5100mW/cm2的光強下，P25/TiO2復合結(jié)構(gòu)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以達到8.62％，遠大于P25膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率(