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染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型光电化学太阳能电池,它制作工艺简单、成本低、性能稳定、并且对环境良好,具有很好的应用前景。目前,以纳米晶TiO2作光阳极的DSSC的光电转化效率最高已达11.1％。但是电子在传输过程中,由于TiO2薄膜中存在着大量表面态,表面能级位于禁带之中,呈局域态构成陷阱,束缚了电子在薄膜中的运动,导致电子与电解质复合的几率增大,暗电流增加,电池效率难以进一步提高。因此,寻找其它光阳极结构就成为DSSC研究的一个热点。本论文成功构筑了ZnO/TiO2纳米棒阵列电极,重点研究了TiO2的壳层特性对DSSC中光生电子的传输与复合的影响,从而为制备高效率的太阳能电池提供了一定的实验和理论基础。具体的研究内容如下:
采用水热法,在沉积ZnO晶种层的透明导电玻璃上制备ZnO纳米棒阵列电极；采用Doctor-blade方法制备纳米晶TiO2多孔膜电极,以C206为光敏剂,构筑了DSSC。通过对电池进行光电性能测试,得到了光电转化效率为0.99％的 ZnO-DSSC和效率为4.71％的TiO2-DSSC。深入探讨了ZnO-DSSC光电转化效率低的因为:较小的比表面积和较差的化学稳定性。
利用射频磁控溅射技术,在ZnO纳米棒的表面均匀地沉积了一层锐钛矿TiO2壳层,制备了ZnO/TiO2核壳结构纳米棒阵列电极,对此电极进行器件组装和光电性能测试发现:壳层沉积后电池的开路电压、短路电流、填充因子都得到了改善,暗电流得到抑制,总光电转化效率提高到1.74％。通过改变TiO2壳层的沉积时间、退火条件和沉积温度,观察了这些制备条件对TiO2壳层的厚度、表面形貌和结晶度的影响,并进一步讨论了壳层的这些特性对电池光电性能参数、效率和界面电子传输与复合的影响,结果表明:壳层厚度为11 nm时电池效率最高；随着壳层沉积温度的增加,壳层的结晶度提高,电池的光电性能得到改善；ZnO/TiO2核壳电极原位退火后,得到TiO2纳米颗粒修饰的ZnO/TiO2纳米棒电极,此电极既提供了大比表面积又抑制了电子的反向复合,此时电池效率最高达2.0％。
通过对水热反应条件进行改变,并系统研究水热反应时间和反应浓度对产物形貌和比表面积的影响,制备了直径约100 nm,长度约10微米的大比表面积ZnO纳米线电极,为制备高效率的DSSC奠定了基础。结果表明,制备大比表面积ZnO纳米线的最佳工艺为:溶液浓度为75 mmol/L,水热反应时间为6小时。