納米結(jié)構(gòu)氧化鋅的可控制備及其光伏性能研究.pdf

1、能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是社會發(fā)展和人類文明的兩大重要戰(zhàn)略。隨著人類對化石資源的不斷消耗和對能源需求的日益增加，使得人們對清潔新能源的開發(fā)越來越重視。其中，太陽能具有資源豐富、分布廣泛、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的新能源之一。染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cells，DSSC)具有制作工藝簡單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的發(fā)展前景。納米結(jié)構(gòu)光陽極薄膜是DSSC的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)與組成直接影響電池

2、的光伏性能，因此如何優(yōu)化與設(shè)計(jì)光陽極結(jié)構(gòu)是近年來DSSC領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。本文針對優(yōu)化和設(shè)計(jì)光陽極薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題，以ZnO微/納結(jié)構(gòu)材料為研究對象，通過水熱法控制合成ZnO納米陣列及ZnO多級納米陣列結(jié)構(gòu)，探討了ZnO納米結(jié)構(gòu)的可控生長機(jī)制，系統(tǒng)研究了ZnO納米結(jié)構(gòu)對DSSC光電轉(zhuǎn)換性能的影響規(guī)律。本文的具體工作和主要研究結(jié)果包括:
　　1.通過水熱法制備了ZnO納米草陣列結(jié)構(gòu)，研究了添加劑對ZnO納米草形貌、尺寸、長徑

3、比的影響規(guī)律。結(jié)果表明，延長水熱生長時間，ZnO納米棒的直徑和長度都呈增大趨勢;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，向生長溶液中添加非極性聚乙烯亞胺(Polyethyleneimine，PEI)可以調(diào)控ZnO納米結(jié)構(gòu)的形貌和長徑比:當(dāng)PEI濃度由0增加至7 mM，ZnO納米棒尖端形貌由六棱柱狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殄F體狀，長徑比由34.34提高至93.83。此外，本文的研究還發(fā)現(xiàn)，A13+也可以調(diào)控ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長，向生長液中添加少量硝酸鋁(0.25 mM)，Zn

4、O納米棒的直徑由465 nm顯著地降低至210 nm;進(jìn)一步增加硝酸鋁濃度時，ZnO納米棒的直徑?jīng)]有明顯的變化。作者分析認(rèn)為，ZnO晶核的晶面選擇性吸附添加劑是調(diào)控ZnO納米結(jié)構(gòu)生長的主要原因。
　　2.采用檸檬酸三鈉輔助晶體二次生長，在ZnO納米棒表面原位生長ZnO納米片，制備了ZnO納米棒-納米片(ZnO NR-NS)多級納米陣列結(jié)構(gòu)，發(fā)展了基于檸檬酸三鈉輔助ZnO異相成核原位制備ZnO多級納米陣列結(jié)構(gòu)新方法。表征結(jié)果表明，Z

5、nO納米棒表面均勻包覆ZnO納米片，ZnO納米片由納米顆粒定向排列而成;同時，二次生長的溫度對ZnO NR-NS多級納米陣列結(jié)構(gòu)具有重要影響。在此基礎(chǔ)上，成功地將檸檬酸三鈉輔助二次生長技術(shù)拓展至柔性金屬基體（鋅片、不銹鋼網(wǎng)），制備出ZnO NR-NS多級納米陣列結(jié)構(gòu)。
　　3.利用不同長徑比的ZnO納米草、ZnO NR-NS多級納米陣列以及柔性基體ZnONR-NS多級納米陣列制備了DSSC，并系統(tǒng)比較了其光伏性能。研究發(fā)現(xiàn):用長徑

6、比大的ZnO納米草制備的DSSC具有更高的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率，其短路電流密度由1.93提高至2.90 mA·cm-2，光電轉(zhuǎn)換效率由0.47％提高至0.73％，其原因是大的長徑比具有更高比表面積能夠吸附更多的染料;比較了利用ZnO納米草與ZnO NR-NS多級納米陣列所制備DSSC的光伏性能，發(fā)現(xiàn)后者的光電轉(zhuǎn)換效率提高了近70％，由0.66％提高至1.13％，其原因在于ZnO NR-NS多級納米陣列結(jié)構(gòu)光陽極進(jìn)一步提高了染料的負(fù)

7、載量，同時還具有較高的光散射能力;基于柔性鋅片ZnO NR-NS多級納米陣列DSSC的光伏性能結(jié)果也表明，ZnO NR-NS多級納米陣列有利于提高光電轉(zhuǎn)換效率。
　　4.通過檸檬酸三鈉輔助水熱生長技術(shù)制備了微米棒、多維結(jié)構(gòu)微球和空心微球等ZnO低維結(jié)構(gòu)，研究了基于不同形貌ZnO微/納結(jié)構(gòu)的DSSC光伏性能。系統(tǒng)研究結(jié)果表明:引入檸檬酸根離子能夠改變ZnO晶核的本征生長方向，由原來的[001]晶向變?yōu)閇100]晶向擇優(yōu)生長;當(dāng)檸檬酸

8、根離子濃度為1mM時，得到直徑為2-3μm的ZnO多維結(jié)構(gòu)微球，其形成機(jī)理經(jīng)歷了ZnO納米顆粒的定向自組裝形成納米片，ZnO納米片再自組裝形成多維微球結(jié)構(gòu);當(dāng)檸檬酸根離子濃度為4mM時，形成直徑為2-4μm的ZnO空心微球，其生長過程則是先形成ZnO實(shí)心微球，經(jīng)歷Ostwald熟化過程演變成空心微球。研究了基于三種ZnO微/納結(jié)構(gòu)的DSSC光伏性能，結(jié)果表明ZnO多維結(jié)構(gòu)微球的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.42％，明顯高于ZnO微米棒和空心微球的

9、光電轉(zhuǎn)換效率（分別為0.41％和0.79％），分析認(rèn)為這是多維結(jié)構(gòu)微球內(nèi)部高的染料負(fù)載量、優(yōu)異的光散射能力以及較長的電子壽命共同作用的結(jié)果。
　　5.采用浸漬法制備了導(dǎo)電聚苯胺(PANi)雜化ZnO納米草結(jié)構(gòu)，并研究了PANi雜化ZnO納米草對光伏性能的影響。經(jīng)FT-IR和Raman光譜證實(shí)PANi和ZnO之間存在類化學(xué)鍵的雜化作用;當(dāng)PANi的濃度為100 mg·L-1時，經(jīng)PANi雜化后的ZnO納米草電極的光電轉(zhuǎn)換效率提高了6