SnO2和ZnO基光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及其在光電化學(xué)器件中的應(yīng)用.pdf

1、由于全球能源需求的日益增長(zhǎng)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，尋找新的、可再生的清潔替代能源迫在眉睫，其中太陽(yáng)能越來(lái)越受到人們的重視。光電化學(xué)電池是一種可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向電能轉(zhuǎn)換的光電化學(xué)器件，如染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSCs）。傳統(tǒng)DSSCs的光陽(yáng)極是由三維多孔TiO2納米顆粒薄膜構(gòu)成，其具有大的比表面可以有效提高敏化劑的吸附量，但在光生電子傳輸和載流子復(fù)合上的不足，使得 TiO2納米晶電極的載流子收集效率較低。為了提高電池性能，在保證電極比表面積

2、的前提下，需要盡可能地提高光生載流子的收集效率。針對(duì)這一問(wèn)題，本論文從提高載流子傳輸角度考慮，選擇高載流子遷移率的SnO2和ZnO半導(dǎo)體作為光陽(yáng)極的主要構(gòu)成材料，研究了從納米球到無(wú)序納米管再到有序納米線陣列光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的電池性能；并從抑制復(fù)合出發(fā)對(duì)各電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1、為解決空心納米球電極中的電子傳輸問(wèn)題，在100 ℃無(wú)表面活性劑的條件下制備了相互之間具有較好連接的SnO2空心納米球（SnO2 HNS

3、）。由于在載流子傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，SnO2 HNS電極獲得了1.51％的能量轉(zhuǎn)換效率。為了進(jìn)一步優(yōu)化器件性能，我們制備了具有較高載流子傳輸速率、較低界面電子復(fù)合速率和良好光吸收性能的SnO2 HNS-TiO2核殼結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極。SnO2 HNS-TiO2電極獲得的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)6.54%，是SnO2 HNS電極能量轉(zhuǎn)換效率的3.3倍，較商業(yè)SnO2納米顆粒-TiO2異質(zhì)結(jié)電極的能量轉(zhuǎn)換效率提高了53.9%，更重要的是，這種核殼結(jié)構(gòu)的光陽(yáng)極比

4、傳統(tǒng)的P25電極的能量轉(zhuǎn)換效率提高了21.5%。
　　2、以碳納米纖維為模板通過(guò)低溫均勻沉淀法制備了由SnO2納米片組成的次級(jí)管狀結(jié)構(gòu)(SnO2-HT)。由于納米片接觸緊密，所制備的SnO2-HT經(jīng)過(guò)超聲分散滴涂干燥成膜后，仍保持較高的長(zhǎng)徑比，而且管與管之間具有較好連接，能有效減少電子在轉(zhuǎn)移過(guò)程中所受到的擴(kuò)散阻礙，有利于電子傳輸。SnO2-HT電極的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.86%。進(jìn)一步通過(guò) TiCl3溶液處理對(duì) SnO2-HT電極進(jìn)

5、行優(yōu)化，制備了SnO2@TiO2-HT核殼結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極。SnO2@TiO2-HT基電極的能量轉(zhuǎn)換效率是 SnO2-HT基 DSSCs能量轉(zhuǎn)換效率的1.67倍。另一方面，SnO2@TiO2-HT基DSSCs較用TiCl4溶液處理SnO2-HT得到的SnO2-TiCl4核殼結(jié)構(gòu)的電池效率提高了13.5%。這一結(jié)果表明對(duì)于管狀結(jié)構(gòu)，SnO2@TiO2-HT核殼結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極具有更長(zhǎng)的電子壽命，能更有效得抑制復(fù)合損失。
　　3、通過(guò)氨水輔助水熱

6、法在FTO基底上制備了多孔ZnO納米線陣列（NW），長(zhǎng)度達(dá)到23μm。多孔ZnO NW基電極的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了0.71%，較沒(méi)有孔結(jié)構(gòu)的ZnO納米線陣列有大幅提高。為了優(yōu)化多孔ZnO NW基電池性能，用滴涂干燥的方法在 ZnO NW上包覆了銳鈦礦相的TiO2。當(dāng)TiO2的包覆次數(shù)為4次時(shí)，電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.06%，較未包覆前提高了3.3倍。這一結(jié)果應(yīng)歸因于TiO2的包覆一方面阻止了ZnO與染料分子形成絡(luò)合物，另一方面抑制了ZnO

7、光陽(yáng)極中載流子的復(fù)合。
　　4、相比于FTO玻璃基底電池，柔性太陽(yáng)能電池具有質(zhì)量輕、成本低、可進(jìn)行快速大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，具有更大的實(shí)際應(yīng)用潛能。本部分對(duì)柔性光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究，為柔性器件的研究奠定基礎(chǔ)。以不銹鋼網(wǎng)為基底生長(zhǎng)的ZnO NW光陽(yáng)極基電池的能量轉(zhuǎn)換效率為0.66%，較相同條件下以FTO為基底生長(zhǎng)的ZnO NW光陽(yáng)極的能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高。為了阻止ZnO與N719染料形成絡(luò)合物，提高SSM/ZnO NW光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的電