以ZnO纳米棒阵列薄膜为光阳极的染料敏化太阳能电池研究

摘要

本文阐述了太阳能电池的研究发展与现状，归纳总结出染料敏化太阳能电池的优势以及研究过程中存在的问题。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitised Solar Cells，简称DSSC)是一种新型的薄膜太阳能电池，其制备工艺简单，制作原料来源丰富，制备过程对环境友好，电池光电性能较稳定，且成本低廉。而ZnO以其原材料丰富、廉价、无毒、透明导电性等特点，渐渐成为太阳能电池光阳极材料领域研究的热点。采用溶胶-凝胶法以乙二醇甲醚为溶剂、醋酸锌为前躯体、二乙醇胺为稳定剂、聚乙二醇为表面活性剂制备出了ZnO薄膜种子层。经干燥、热处理、高温煅烧，最后制备出均匀、透明的氧化锌薄膜。同时得到以下制备薄膜性能较优良的工艺参数，主要包括溶胶浓度、对溶胶液的干燥温度、时间及煅烧温度。采用在低温溶液中生长的方法，以硝酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液为生长液，在ZnO种子层上制备ZnO纳米棒阵列薄膜。使用X射线衍射(XRD)对ZnO纳米粉体及其纳米棒阵列薄膜进行表征；使用扫描电子显微镜(SEM)、电子顺磁共振仪(EPR)、紫外可见光谱(UV-Vis)等手段对ZnO薄膜和纳米棒阵列薄膜进行了表征。并利用太阳能电池 I-V测试系统对组装好的染料敏化太阳能电池的光电性能进行测试。
　　本研究主要内容包括：⑴ZnO纳米棒阵列薄膜制备的最佳制备条件是采用在低温溶液中生长的方法，即以硝酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液为生长液，在覆有 ZnO种子层的FTO导电玻璃上制备ZnO纳米棒阵列薄膜(简称FTO/ZNA电极)，生长液浓度为0.025mol/L、ZnO薄膜竖直放置、生长的时间为4.5h以及制备ZnO种子层的前驱液中应添加聚乙二醇。⑵XRD结果表明：氧化锌纳米粉体晶体为六方纤锌矿结构，结晶性良好，无杂质峰；氧化锌纳米棒阵列薄膜(FTO/ZNA电极)样品各衍射面的衍射峰与标准的纤锌矿结构氧化锌相匹配，属于六方晶系纤锌矿结构，衍射峰峰形窄且尖锐，除了少数几个由 FTO导电玻璃中的物质所引起的衍射峰外，没有其他杂质峰，说明采用低温溶液生长法制备出的ZnO纳米棒阵列薄膜纯度很高，其晶粒尺寸(48.6nm)比氧化锌粉体(31nm)大，（002）晶面的择优取向性i(002)=0.846亦比粉体i(002)=0.214的好。绝大部分的ZnO纳米棒是沿（002）晶面生长，即沿c轴择优取向生长。⑶SEM结果表明：表面活性剂聚乙二醇能够防止纳米氧化锌薄膜在煅烧过程中出现纳米颗粒团聚、薄膜因退火而出现裂痕；生长时间的长短、生长液浓度、覆有种子层的基底放置方式对 ZnO纳米棒阵列生长均有影响。通过对实验结果进行比较得到以下结果：FTO导电玻璃竖直放置在温度为95℃、浓度为0.025mol/L的生长液中生长4.5h后得到的ZnO纳米棒阵列薄膜排列相较于其他条件下生长的薄膜，形貌更规整，棒的尺寸分布均匀，平均直径在100nm左右。⑷EPR结果表明：ZnO种子层和ZnO纳米棒阵列薄膜在g=1.926处有较强的顺磁吸收信号，该处信号峰与ZnO粉体的EPR信号峰位置接近，所以该信号可能是制备过程中产生的Zn-H键的信号位置，可作为FTO/ZNA电极与ZnO种子层的EPR特征信号定性的判断 FTO/ZNA电极的自由电子数比ZnO种子层多，使得FTO/ZNA电极的自由电子在电路中更易于传输。⑸紫外可见(UV-Vis)光谱结果表明：ZnO种子层和FTO/ZNA电极在紫外光区具有很强的吸收，且FTO/ZNA电极对紫外光的吸收强于ZnO种子层，而二者对可见光均无吸收。被锌卟啉染料敏化后的FTO/ZNA电极在可见光范围内具有了吸收波段，在426nm处存在较强的吸收峰，这主要是由锌卟啉染料对可见光的吸收引起的，说明锌卟啉染料对 FTO/ZNA电极敏化产生了良好的效果。⑹使用被ZnTPP染料敏化FTO/ZNA电极，以敏化电极为光阳极进行DSSC组装，利用I-V曲线测试系统对DSSC的光电性能进行测试，得到开路电压Voc为592mV，短路电流Isc为4.1498mA，填充因子为0.51，最大输出功率Pmax为1342.097mW，光电池的转换效率η为1.67％。

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1 绪论

1.1 引言(Introduction)

1.2 太阳能电池的分类( Classification of Solar Cells)[11]

1.3 染料敏化太阳能电池结构及工作原理(Structure and Working Principle of Dye-sensitised Solar Cells)

1.4 染料敏化太阳能电池的研究发展(Research and Development of Dye-sensitised Solar Cells)

1.5 ZnO特性及其应用(Characteristics and Application of ZnO)

1.6 本论文的研究内容及意义(Research Contents and Research Significance)

2 实验材料、制备及测试方法

2.1 实验材料、仪器及试剂(Experimental Materials, Instruments and Reagents)

2.2 ZnO 纳米棒阵列薄膜的制备(Preparation of ZnO Nanorods Arrays)

2.3 ZnO 纳米棒阵列薄膜的表征方法(Characterizations of ZnO Nanorods Arrays)

2.4 本章小结（Conclusion）

3 ZnO种子层及纳米棒阵列薄膜的表征

3.1 ZnO粉末、纳米棒阵列薄膜的X射线衍射分析(XRD Analysis of ZnO Powder and Nanorods Array Film)

3.2 ZnO种子层薄膜的扫描电子显微镜表征(SEM Characterization of ZnO Seed Layer Film)

3.3 ZnO 纳米棒阵列薄膜的扫面电子显微镜表征(SEM Characterization of ZnO Nanorods Array Films)

3.4 ZnO 纳米棒阵列薄膜电极的电子顺磁共振谱分析( EPR Spectra of ZnO Nanorods Film Electrode)

3.5 ZnO 纳米棒阵列薄膜电极的紫外可见吸收光谱分析(Uv-vis Absorption Spectra of Seed Layer of ZnO Nanorods Film Electrode)

3.6 本章小结(Conclusion)

4 ZnO纳米棒阵列薄膜作为光阳极的DSSC研究

4.1 引言(Introduction)

4.2 基于ZnO纳米棒阵列薄膜光阳极的DSSC组装(Based on ZnO Nanorod Array Film as Optical Anode of the DSSC Assembly)

4.3 DSSC 的测试与结果分析(Test and Result Analysis of the DSSC )

4.4 本章小结(Conclusion)

5 结论

参考文献

作者简历

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