ZnO薄膜的電沉積及在量子點敏化太陽能電池中的應(yīng)用.pdf

1、能源從來都是是人類社會發(fā)展的重要驅(qū)動力。從20世紀(jì)中葉開始，人類進(jìn)入能源高消費階段，現(xiàn)有的能源已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要，能源危機(jī)已成為人類面臨的最大挑戰(zhàn)。而發(fā)展高效率、低成本、可持續(xù)利用的太陽能電池是解決能源危機(jī)的一種有效途徑，同時對保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。由染料敏化太陽能電池發(fā)展而來的量子點敏化太陽能電池(QDSC)具有很高的理論效率、低成本和很好的穩(wěn)定性，有很大的發(fā)展?jié)摿?，受到人們的廣泛關(guān)注。
　　納米半導(dǎo)體氧化物薄

2、膜作為電子收集材料，是量子點敏化太陽能電池的重要組成部分。目前性能最好的是TiO2納米材料。而隨著納米材料科學(xué)的發(fā)展，越來越多的材料和納米結(jié)構(gòu)被用于QDSC。其中，ZnO納米材料因為其優(yōu)良的電子遷移率和納米形貌易于控制的特性而受到人們的青睞。在本文中，我們先電沉積ZnO納米片，在這個基礎(chǔ)上合成ZnO納米片-納米棒、納米球，還以ZnO納米片為模板合成了由SnO2納米片和TiO2納米顆粒組成的復(fù)合薄膜，并將ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)和SnO2

3、/TiO2復(fù)合薄膜使用CdS和CdSe共敏化后應(yīng)用于QDSC中，探究了這幾種材料作為光陽極時對QDSC性能的影響。主要研究內(nèi)容及研究結(jié)果如下：
　?。?）使用水熱法在電沉積的ZnO納米片上生長ZnO納米棒，考察了前驅(qū)液濃度對ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)的影響。通過SEM圖觀察到了隨著前驅(qū)液濃度的增加，ZnO納米片上的凸起逐漸轉(zhuǎn)變成納米錐，最后又轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米棒的過程，還通過改變水熱反應(yīng)的時間優(yōu)化了ZnO納米棒的長度，當(dāng)水熱時間過長時，納米

4、棒的直徑過大，大量的納米棒擠在一起破壞了之前的有序納米棒陣列，最終確定10小時為最佳的水熱反應(yīng)時間。
　?。?）通過調(diào)整前驅(qū)液的濃度至0.15M，還制備出了一種由ZnO納米棒構(gòu)成的納米球。通過控制水熱反映的時間考察了納米球的生長過程，發(fā)現(xiàn)在水熱過程中由于過量的六亞甲基四胺的分解，造成了強(qiáng)堿性的環(huán)境，從而導(dǎo)致了ZnO納米片被腐蝕，ZnO薄膜的形貌發(fā)生了重構(gòu)。同時還考察了電沉積時間對ZnO納米球的形成過程的影響。實驗結(jié)果表明：要形成由

5、ZnO納米棒組成的納米球，則納米棒生長的過程中不能受到阻擋，可以自由的向各個方向生長。這需要生長ZnO納米棒的基底表明有比較大的起伏。
　?。?）最后，我們還將前面制備的ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)的薄膜使用(NH4)2TiF6處理，然后再用CdS和CdSe共敏化作為QDSC的光陽極。最終結(jié)果顯示，與基于單純的ZnO納米片的光陽極相比，基于ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)的光陽機(jī)的短路電流有了很大的提高，最終獲得了2.5％的光電轉(zhuǎn)換效率。而從

6、薄膜的UV吸收光譜和QDSC的IPCE圖譜中可以觀察到，該光陽極在波長為400nm-500nm范圍內(nèi)的吸收和IPCE都遠(yuǎn)高于其它的光陽極，這說明ZnO納米片-納米棒結(jié)構(gòu)有利于使用離子連續(xù)反應(yīng)吸附法(SILAR)沉積CdS。
　?。?）使用電沉積的方法制備了ZnO納米片薄膜，并以此為模板制備了SnO2納米片，觀察到SnO2納米片垂直于FTO基底，并且分布有大量的納米介孔，使用TiCl4處理和沉積TiO2后，由薄膜橫截面的SEM圖可以