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染料敏化太阳电池是高效率、低成本太阳电池的一个重要发展方向。本论文先在导电玻璃基板上制备彼此平行排列且垂直于基板的ZnO单晶纳米棒阵列,再在纳米棒表面包覆一层TiO2纳米粒子膜来构成ZnO/TiO2核壳纳米棒阵列膜,旨在不仅利用ZnO-维纳米材料易制备的优势及其良好的电子传输性能,而且通过TiO2膜来改善ZnO纳米棒比表面积小和染料吸附性能差的不足。
采用溶液生长法,分别以ZnO和TiO2为晶种,Zn(NO3)2和HMT的混合溶液为生长体系,在导电玻璃上生长了出氧化锌一维纳米棒阵列,并采用SEM、TEM、XRD以及通过测定染料吸附量等手段对纳米阵列的微结构和染料吸附性能进行了表征。考察了晶种膜提拉速率和层数、溶液生长温度、浓度和时间以及添加剂种类和用量等因素的影响对纳米阵列直径、长度以及分布密度等微结构参数的影响。在以ZnO为晶种时,获得的当晶种提拉速度为4.8cm/min且提拉3层、溶液生长温度为90℃、浓度为0.05 mol/L、时间为10 h以及添加剂PEI用量为1.5ml时,制备出了染料吸附性能较好的纤锌矿单晶ZnO纳米棒阵列;在以TiO2为晶种时,通过考察晶种膜煅烧温度的影响获得的适宜制备条件为:以金红石相TiO2为晶种、提拉速度4.8cm/min、1层晶种、生长温度90℃、浓度0.075 mol/L、时间6 h、添加剂PEI用量为0.5ml。
在制备出的ZnO纳米阵列表面采用溶胶-凝胶法包覆TiO2薄膜,构成ZnO/TiO2核/壳纳米棒阵列膜,并以此作光阳极来组装染料敏化太阳电池。通过测试电池的I-V特性来考察TiO2膜包覆前后及其包覆层数对电池性能的影响。结果表明,对于以氧化锌为晶种生长出的ZnO/TiO2核/壳纳米阵列膜,当TiO2包裹层数为3层时,染料吸附量比未包裹时增加了27%,电池效率增加了1.7倍;对于以金红石TiO2为晶种生长的ZnO/TiO2核/壳纳米阵列膜,当TiO2包裹层数为2层时,其染料吸附量比未包裹时增加将近30%,组成的电池效率增加了1.3倍。