基于一维ZnO纳米材料有序阵列杂化太阳电池的研究

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本文分别采用两步电化学方法和水热法在ITO导电玻璃基底上制备了一维ZnO纳米管阵列和一维ZnO纳米棒阵列。以ZnO纳米管阵列为工作电极,采用电化学沉积法在ZnO纳米管阵列上包覆一层适当厚度的CdTe纳米枝晶薄膜,形成CdTe@ZnO壳核式纳米管结构,在CdTe@ZnO壳核结构阵列上旋涂一层P3HT,形成三组分壳核式P3HT@CdTe@ZnO结构;以ZnO纳米棒阵列为工作电极,采用电化学沉积法在ZnO纳米棒阵列上包覆一层适当厚度的CdSe纳米颗粒薄膜,形成CdSe@ZnO壳核式纳米棒结构,在CdSe@ZnO壳核结构阵列上旋涂一层P3HT或PCPDTBT,形成三组分壳核式P3HT@CdSe@ZnO或PCPDTBT@CdSe@ZnO结构,旋涂一层PEDOT:PSS作为空穴传输层。对基于ZnO纳米材料的电极进行了SEM、XRD、HRTEM、EDS及紫外可见吸收光谱的测定和分析,研究了基于不同电极的太阳电池的光电性能。将制备的ZnO纳米管、CdTe@ZnO、P3HT@CdTe@ZnO一系列光电极组装成半导体杂化敏化太阳电池,研究表明:电化学制备的ZnO管为六方纤锌矿结构,管壁厚约50nm,内径约200nm;电化学制备的CdTe为闪锌矿结构,晶格间距为0.37nm,通过控制沉积电量,可以得到不同壳层厚度的纳米枝CdTe@ZnO壳核结构,最佳沉积电量为1.5C。CdTe拓宽了ZnO的吸收范围,吸收范围达到840nm,且光吸收能力强。基于CdTe(1.5C)@ZnO光电极的半导体杂化敏化太阳电池性能最佳,光电转换效率为1.0%;旋涂一层P3HT后,存在于n-型CdTe与p-型P3HT之间的p-n异质结有利于光生电荷传输与分离,基于P3HT@CdTe(1.5C)@ZnO光电极的太阳电池的效率提高了38%,达到1.38%。将制备的P3HT@ZnO、 P3HT@CdSe@ZnO、 PCPDTBT@ZnO、PCPDTBT@CdSe@ZnO一系列光电极组装成有机无机杂化太阳电池,研究表明:水热法制备的ZnO纳米棒为六方纤锌矿结构,改变反应液浓度可以得到不同直径的ZnO纳米棒,最佳溶液为0.05M硝酸锌和六次甲基四胺;电化学制备的CdSe为纤维锌矿结构,通过控制沉积电压,可以得到不同大小的CdSe纳米颗粒,当沉积电压为﹣1.0V时,颗粒大小均匀,约为20nm,壳层厚度最佳。CdSe拓宽了ZnO的吸收光谱,吸收范围达到700nm以上,且光吸收能力强;旋涂一层P3HT或PCPDTBT后,存在于n-型CdSe与p-型P3HT或PCPDTBT之间的p-n异质结有利于光生电荷传输与分离,其中,基于PEDOT:PSS-P3HT@CdSe(﹣1.0V)@ZnO光电极和PEDOT:PSS-PCPDTBT@CdSe(﹣1.0V)@ZnO光电极的有机无机杂化太阳电池性能最佳,光电转换效率分别为为0.48%和0.50%。
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