纳米银颗粒-氧化锌纳米棒复合材料在染料敏化太阳能电池中的应用

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由于能源枯竭和环境污染问题日益严重,在过去的几十年来人们对太阳能电池的研究越来越感兴趣。除了基于p-n结的太阳能电池外,许多新型太阳能电池如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和量子点敏化太阳能电池也引起了广泛的关注。其中DSSCs由于其制造成本较低、制作方法较为简单等特性而成为一种有前途的候选人。DSSCs通过光激发的染料电子通过外部电路流到对电极,氧化电解质并完成循环。氧化锌(ZnO)可以说是目前除了二氧化钛以外,研究最多的光阳极材料,因其高电子迁移率和多种纳米结构形式而备受瞩目。相比较于其他一些半导体材料的激子结合能(如ZnSe(22 meV)和GaN(25 meV)),氧化锌具有着60 meV,这远远大于其它半导体的激子结合能使得氧化锌具备了更高的发光效率和更好的应用潜力。除此之外ZnO作为第三代半导体纳米材料的典型代表,具备的价格低廉、来源丰富、易于制备、化学稳定性好等优点使它的应用范围更加广泛。纳米氧化锌具备的小的体积与大的比表面积(通常尺寸处于1100 nm的范围之内),使得它具有表面效应、量子尺寸效应等特点,相比较于普通ZnO而言表现出更优良的电学与光学等特性,这些特性使其在传感器、太阳能电池等领域具有更加广阔的应用前景。本次实验先采用旋涂法在玻璃基底上制备氧化锌种子层,再用水热反应法制备出不同条件下生长的纳米棒阵列。之后使用光沉积的手段,在氧化锌纳米棒阵列上进行不同条件下的还原得到Ag纳米颗粒。最终使用最优薄膜进行太阳能电池的制备与测量。(一)ZnO纳米棒阵列的制备及微观形貌的研究采用旋涂法与水热法结合的方法制备得到ZnO薄膜,通过SEM、XRD等表征测试手段,研究在水热反应时不同条件对ZnO纳米棒阵列的微观形貌的影响并对水热法制备氧化锌纳米棒的各项生长条件进行了系统性的影响分析。实验结果表明:当种子层溶液浓度为0.1 mol/l、水热浓度为50 mM且生长时间为9 h时,为最佳工艺条件。在此条件下制备的ZnO纳米棒阵列在扫描电子显微镜的观察下,具有着合适的直径与高度数据,即生长出了最具理想条件的氧化锌纳米棒阵列。(二)纳米Ag-ZnO薄膜的制备及测试采用上一步中的旋涂加水热的方法制备得到ZnO纳米棒阵列,之后使用光沉积的方法在ZnO纳米棒上还原出Ag颗粒,得到Ag-ZnO薄膜。设计对比实验考察硝酸银的浓度和沉积时间对Ag-ZnO薄膜的影响。实验结果表明,随着沉积时间和沉积浓度的提升,Ag NPs(Nanoparticle)的覆盖量会随之增大。沉积浓度主要会对Ag NPs的数量产生影响,沉积时间则会主要对Ag NPs的颗粒尺寸产生影响。(三)Ag-ZnO薄膜太阳能电池的制备及性能研究根据前两步中的方法,进一步将得到的Ag-ZnO薄膜经过染料敏化之后制备成太阳能电池,并在此基础上进行性能的测试。在本次试验中,制备出了FF=0.468,转换效率为0.639%的太阳能电池。通过银颗粒的加入,使得Isc从1.84 mA提升到2.26 mA。转换效率则是从0.554%提升到0.639%,这是由于LSPR效果导致光吸收的增强、比表面积增加造成更多染料的吸附等产生的综合效果。
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