ZnO和ZnO-Al納米陣列的制備及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye Sensitized Solar Cells，DSSC)，具有豐富的資源、低廉的成本、穩(wěn)定性較好、生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單、無(wú)毒且易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，作為第三代太陽(yáng)能電池受到研究人員的關(guān)注。盡管DSSC的最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到12.3％，但基于ZnO的轉(zhuǎn)換效率仍然較低(＜8％)，與目前已成熟產(chǎn)業(yè)化的傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比效率仍然偏低。光生載流子的復(fù)合問(wèn)題一直是制約DSSC轉(zhuǎn)換效率提高的關(guān)鍵，因此需要從光陽(yáng)極材料的結(jié)構(gòu)和性能

2、出發(fā)，對(duì)基于ZnO的光陽(yáng)極進(jìn)行如下幾個(gè)方面的研究:
　　 ①通過(guò)簡(jiǎn)易的制備工藝控制ZnO晶體尺寸和薄膜的生長(zhǎng)取向、形貌;
　　 ②制備垂直于基底生長(zhǎng)的ZnO納米棒陣列;
　　 ③通過(guò)Al元素對(duì)ZnO進(jìn)行摻雜改性，使其有利于光生電子的分離和傳輸，提高光電轉(zhuǎn)化效率;
　　 ④研究基于ZnO和ZnO∶Al納米陣列光陽(yáng)極的DSSC的性能。
　　 根據(jù)上述思路，本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)采

3、用直流反應(yīng)磁控濺射制備ZnO晶種層，改變?yōu)R射沉積的參數(shù)，如濺射功率、氧氬分壓比、靶-基片間距，研究單因素對(duì)ZnO晶體尺寸和薄膜形貌的影響。AFM測(cè)試結(jié)果表明:隨著濺射功率的增加，粒子尺寸逐漸變大;O2/Ar比中隨著O2分壓減小，薄膜出現(xiàn)孔隙、晶界模糊等缺陷，但是晶粒分布趨于均勻;靶-基片間距影響粒子尺寸和薄膜的均勻性。分析得到磁控濺射法制備ZnO晶種層的最佳工藝為:濺射功率100W、O2/Ar為1∶3、靶-基片間距50mm。磁控濺射的Z

4、nO晶種層，經(jīng)400℃退火處理后，薄膜中的氧空位和缺陷大大減小，晶粒尺寸增大，晶界減少，薄膜結(jié)晶情況改善，內(nèi)應(yīng)力降低。
　　 (2)運(yùn)用直流磁控濺射法，采用ZnO/Al2O3陶瓷靶材(Al2O3相對(duì)含量2wt％)，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)表通過(guò)改變制備工藝中的基片溫度、濺射功率、氧流量百分比等參數(shù)研究多因素相互制約作用，在普通玻璃襯底上制備ZnO∶Al(ZAO)透明導(dǎo)電薄膜。基于正交試驗(yàn)法研究不同制備工藝參數(shù)下得到的薄膜的方塊電阻、PL光譜

5、、表面形貌。XRD結(jié)果表明，ZAO薄膜屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。結(jié)合光電性能和表面形貌的關(guān)系，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法確定最佳工藝條件為:濺射溫度200℃，濺射功率40W，氧流量20％，退火溫度400℃，獲得的薄膜樣品最低方塊電阻11Ω/(口)，薄膜具有最好的光致發(fā)光性能，適合作為薄膜太陽(yáng)能電池的透明導(dǎo)電電極。
　　 (3)采用化學(xué)水浴法在上述制備的晶種層上生長(zhǎng)ZnO和Al摻雜ZnO(ZAO)納米陣列。納米陣列的形貌受生長(zhǎng)液濃度的影響較大，XR

6、D結(jié)果表明納米棒具有c軸擇優(yōu)取向，隨著溶液濃度的增加納米棒的直徑增大，間隙變小。當(dāng)生長(zhǎng)液中的Zn2+濃度為0.025mol/L時(shí)，生長(zhǎng)的納米陣列質(zhì)量最好。在硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)與六亞甲基四胺(C6H12N4)等摩爾濃度反應(yīng)溶液中添加不同摩爾分?jǐn)?shù)的硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O)，化學(xué)水浴合成的ZAO具有六方纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，XPS圖譜表明Al成功摻入ZnO晶體內(nèi)。前驅(qū)體溶液中Zn源濃度為0.030mol/L時(shí)，得到(00

7、2)擇優(yōu)取向、直徑在100nm左右、長(zhǎng)度為3μm的垂直于基底生長(zhǎng)的ZAO納米棒陣列，并且納米棒具有良好的光電性能。摻入的Al原子以Al3+的方式發(fā)生固溶，Al3+占據(jù)了晶格中Zn2+的位置，這樣就產(chǎn)生了1個(gè)多余的價(jià)電子，因此摻雜Al元素的結(jié)果是增加了凈電子，使ZnO薄膜的電阻降低，提高了薄膜的導(dǎo)電性。同時(shí)Al元素的摻入會(huì)形成施主能級(jí)，在光激發(fā)過(guò)程中，會(huì)有更多的電子從摻雜能級(jí)躍遷到價(jià)帶，因此少量的Al的摻雜可以提高發(fā)光強(qiáng)度，且摻2％Al的

8、薄膜具有最好的光致發(fā)光性能。最后探討了ZAO納米棒成核與生長(zhǎng)機(jī)制。
　　 (4)制備基于Al3+離子摻雜的ZnO納米陣列薄膜光陽(yáng)極與基于ZnO納米結(jié)構(gòu)電極的DSSC。利用線性伏安法測(cè)試電池的電流密度-電壓(J-V)曲線表明，前驅(qū)體溶液中Zn源濃度為0.010mol/L，Al摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為5％時(shí)制備的ZAO薄膜的DSSC電池的光電轉(zhuǎn)換率(η）最大，為0.42％，相對(duì)于未摻雜電池的η(0.07％)，光電轉(zhuǎn)換率大大提高，說(shuō)明Al摻雜Z