一維ZnO基陣列鈣鈦礦太陽(yáng)能電池.pdf

1、自2009年低成本、易封裝的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)的出現(xiàn)，為目前解決環(huán)境問(wèn)題提供了一種新可能。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)起源于染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)，并且其短短幾年時(shí)間光電轉(zhuǎn)化效率已極大地提升，從剛開(kāi)始的3.8％突破到20％，迅速成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化，需要進(jìn)一步研究提升光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性，而對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的提升必須快速傳輸電子，減少電子和空穴的復(fù)合，因此，找到合適的電子傳輸層至關(guān)重要。目前ZnO

2、和TiO2材料因其較寬的禁帶寬度和電子遷移率，被廣泛應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極之中。據(jù)報(bào)道2016年使用TiO2作為電子傳輸層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已達(dá)22.1％，遠(yuǎn)超過(guò)染料敏化的11.9％最高認(rèn)證效率，但是該類(lèi)電池效率的巨大提升原因在于使用了成本高昂的空穴傳輸材料spiro-OMeTAD以及貴金屬Au，致使其成本較高。為了降低成本，研究者開(kāi)發(fā)出一種無(wú)空穴傳輸材料并采用廉價(jià)碳(C)作為對(duì)電極的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，并取得了12

3、.8％的光電轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)ZnO材料相比于TiO2，有著更高的電子遷移率和易于調(diào)控生長(zhǎng)，因此利用ZnO材料代替TiO2材料作為電子傳輸層的無(wú)空穴傳輸材料廉價(jià)碳(C)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有著廣泛的研究前景。
　　研究表明:ZnO材料的形貌以及電極的結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能有很大的影響，因此本文用幾種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的方法制備出ZnO材料薄膜，并分別探討了生長(zhǎng)條件對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌的影響，最后將其分別應(yīng)用在固態(tài)PSC中，探討影響電池性能的因素。主要包括以

4、下方面的工作:
　　1.成功制備了比表面積較大的ZnO納米管陣列并首次將其應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究。實(shí)驗(yàn)中采用三電極體系的方法生長(zhǎng)了結(jié)晶性良好的ZnO納米棒整列，同時(shí)探究不同沉積時(shí)間對(duì)于ZnO結(jié)構(gòu)和形貌的影響。把不同厚度的ZnO納米陣列作為電子傳輸層組裝成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，研究不同厚度的薄膜對(duì)于其性能的影響，尋找合適厚度的薄膜。結(jié)果表明，厚度為500nm時(shí)，其光電轉(zhuǎn)換效率最高為2.23％;厚度超過(guò)500nm，因?yàn)殁}鈦礦材料的填

5、充不充分和缺陷的增多，性能明顯降低;厚度低于500nm，鈣鈦礦材料吸附的比較少，性能也明顯降低。實(shí)驗(yàn)中采用了兩種方法來(lái)刻蝕ZnO納米棒陣列使其形成ZnO納米管。(1)采用電化學(xué)刻蝕的方法刻蝕ZnO納米棒陣列形成ZnO納米管。通過(guò)設(shè)置不同電位以及不同時(shí)間來(lái)研究其對(duì)于ZnO納米棒的刻蝕影響。實(shí)驗(yàn)表明，在電壓為0.01V，恒溫70℃，可以使ZnO納米棒形成ZnO納米管，但是該方法不容易控制。(2)為了更好地控制實(shí)驗(yàn)提高ZnO納米管的產(chǎn)率，我們

6、采用化學(xué)刻蝕方法來(lái)進(jìn)行刻蝕，通過(guò)控制ZnO納米棒浸泡在0.10Mol/L乙二胺溶液中(70℃)的時(shí)間成功地得到了ZnO納米管陣列，而且該方法還通過(guò)改變浸泡的時(shí)間可以控制薄膜的厚度。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)陣列薄膜是厚度為400nm的ZnO納米管薄膜組裝成固態(tài)無(wú)空穴傳輸層廉價(jià)碳對(duì)電極PSC，其光電轉(zhuǎn)換效率最高為4.1％，相比于同厚度的ZnO納米棒薄膜固態(tài)PSC效率明顯提高。
　　2.設(shè)計(jì)生長(zhǎng)了摻雜Li+的一維ZnO納米管陣列，并將其應(yīng)用于使用廉