染料敏化太阳能电池ZnO基光阳极材料的制备与性能研究

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光阳极材料对染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)的光电转换性能起着重要的作用,截至目前,基于二氧化钛的光阳极性能最优。氧化锌作为与二氧化钛有着类似能级结构和较为接近的禁带宽度的半导体材料,因有着优异的电子传输性能,非常有潜力成为改善染料敏化太阳能电池性能、降低生产成本的新型光阳极材料。本文采用不同方法制备了氧化锌、氧化铋及其复合材料,采用X射线衍射光谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等手段对材料晶体结构和形貌进行了表征,并研究了复合物对染料敏化太阳能电池光电性能的影响。采用水热法制备了亚微米级棒状和星形氧化锌。通过对不同水热反应时间的产物形貌表征,探究了棒状和亚微米星形氧化锌的生长机理。以不同比例将亚微米星形氧化锌嵌入通过沉淀法制备的氧化锌纳米粒子光阳极中,制备出具有良好的光散射性能的复合光阳极。以去离子水为溶剂进行水热反应,通过控制反应时间和反应温度制备出不同长度的氧化铋纳米线,纳米线呈纵向生长。此外,以丙酮为溶剂进行溶剂热反应,制备出由片层构成的氧化铋空心球,直径约2μm。分别采用一步水热法、两步水热法、水热沉淀法和共沉淀法制备了不同形貌和组成的ZnO/Bi2O3复合物。一步水热法制备得到的片层球产物Bi7.65Zn0.35O11.83作为DSSC光阳极时,电池光电转换效率为1.13%,比氧化锌纳米粒子(ZnO NPs)和棒状氧化锌(ZnO rods)作为光阳极的DSSC分别高出17.7%和121.5%。由两步水热法制备得到的产物作为DSSC光阳极时的光电转换效率比ZnO rods提升了66.7%。水热沉淀法获得的最佳产物作为电池光阳极时的性能相对于单纯棒状氧化锌来说提升了35.3%。最佳共沉淀产物是在铋元素与锌元素摩尔比为1:9时得到的,其光电转换效率为0.96%。
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