ZnO納米棒在染料敏化太陽能電池中的應用

范詠梅,婁慧慧,楊勝沛,婁天軍,張玉泉

（1.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)市功能有機分子重點實驗室,河南新鄉(xiāng)453003）

隨著能源的緊缺,新能源的開發(fā)越來越受到各國的重視,而太陽能作為取之不盡用之不竭的重要能源,已經(jīng)引起廣泛的研究[1].在太陽能電池方面,對TiO2的研究最多,并且取得了不錯的轉(zhuǎn)換效率.而在眾多的半導體中,ZnO是最有希望代替TiO2寬禁半導體材料.一維結(jié)構的ZnO納米材料能夠避免零維納米材料無序堆積而造成的顆粒之間界面結(jié)構的復雜性,有利于電子的高速傳輸,降低電子的再復合的幾率[2].

本文采用沉淀法制備了一維ZnO納米棒,構建了染料敏化太陽能電池,并對其電化學性能進行了研究.

1 試驗部分

1.1 試驗試劑及測試儀器

試驗試劑：二水醋酸鋅（Zn（Ac）2·2H2O）、氨水、碘（I2）、碘化鉀（KI）、乙腈、乙二醇、乙基纖維素、松油醇等,實驗中用試劑均為分析純.

測試儀器：1530VP場發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察ZnO的形貌；電化學工作站（CHI660D）用于電化學性能測試,XQ氙燈（XQ350-5 00 W）提供光源.

1.2 ZnO納米棒的制備

參照文獻[3],用電子天平稱取25 g Zn（Ac）2·2H2O,在磁力攪拌下加入到250 mL蒸餾水中,逐滴加入氨水,調(diào)節(jié)溶液的pH=8,然后放置陳化1 h.將得到的白色沉淀抽濾并用蒸餾水洗滌,在105℃下干燥12 h,研磨,400℃下馬弗爐中煅燒2 h,得到納米ZnO納米棒材料.

1.3 ZnO納米棒染料敏化太陽電池的組裝

1.3.1 Zn O納米棒光陽極的制備 稱取0.5 g ZnO納米棒材料,加入10 mL無水乙醇充分研磨30 min,加入20 mL無水乙醇將漿料轉(zhuǎn)移到燒杯中,在攪拌下加入0.1 g乙基纖維素和2.5 mL松油醇攪拌30 min,接著超聲30 min,如此交替3次,然后在70℃下加熱蒸發(fā)乙醇得到ZnO納米棒漿料.采用刮涂方法將ZnO納米棒漿料刮涂在導電玻璃上,面積為1 cm×1 cm,然后馬弗爐中450℃燒30 min.將燒結(jié)好的ZnO基薄膜浸泡在N719乙醇溶液中24 h使其充分吸附,取出后用無水乙醇沖洗多余的溶液,自然干燥后用于封裝測試[4].

1.3.2 對電極及電解液的制備

對電極為鉑電極：已打孔的導電玻璃導電面朝上,將氯鉑酸溶液噴在玻璃導電面,380℃燒30 min,反復3次.

I-/電解液：3.36 g KI溶液在攪拌下加入40 mL乙腈和1 mL乙二醇混合液中,然后再加入0.48 g I2,磁力攪拌2 h使其充分溶解,最后棕色瓶保存[5].

1.3.3 電池的封裝 將光陽極與對電極按照“夾心三明治”的結(jié)構封裝在一起,電解液是由對電極的小孔中利用毛細管加入并用蠟封,太陽能電池封裝如圖1所示.

圖1 染料敏化太陽能電池封裝示意Fig.1 Schematic diagram of the dye-sensitized solar cells

2 結(jié)果與討論

2.1 ZnO納米棒SEM表征

如圖2展示了ZnO納米材料的SEM照片.

圖2 不同倍數(shù)的ZnO納米棒SEM圖譜Fig.2 Differentmultiples SEM images ofzinc oxide nanorod

由圖2可知,所制備ZnO材料為長度均勻、分散性良好的一維納米棒.大小均一、形貌均勻的納米棒因其具有較大的長徑比和定向傳導電子的能力,有利于電子的快速傳輸,進而提高光生電子與空穴的分離,進而增強太陽能電池的光電化學性能.圖2（b）是ZnO納米棒的局部放大照片,可以看出ZnO為實心短棒且底部為正六邊形.

2.2 ZnO納米棒染料敏化太陽電池的測試

實驗利用氙燈模擬太陽光,通過電化學工作站測試了ZnO納米棒染料敏化太陽電池的電流密度-光電壓（J-V）特性曲線圖和Nyquist圖,如圖3所示.電池標準測試條件：AM 1.5、100 W/cm2；電流密度-光電壓特性曲線圖測試條件：電壓為開路電位；掃描速率為：0.02 V/s；靈敏度為：10～6 A/V.Nyquist圖測試條件：初始電平為開路電位；頻率0.001～105 Hz.

圖3 染料敏化太陽能電池的電化學性能Fig.3 Electrochemical character ofdye-sensitized solar cells

從圖3（a）所示的J-V曲線可以看出,電池的開路電壓（Voc）為0.64 V、短路電流（Jsc）為0.34 mA/cm2,填充因子（FF）為45.04%,光電轉(zhuǎn)換效率（η）為0.098%.其中Voc主要是由于ZnO的導帶與電解液的氧化還原電位的能級差所決定,Jsc大小與光吸收、光生電子注入以及電子傳輸與復合特性有關[6].測試的結(jié)果可以看出,ZnO納米棒的Jsc不高,可能原因是ZnO納米棒表面積不大表面吸附的染料有限,導致光吸收不高；另一方面,雖然ZnO具有比TiO2更高的電子遷移率,但是電子的復合幾率還是比較高,這也是導致Jsc不高的可能原因之一.FF是最大輸出功率和電路短路電流和開路電壓的乘積之比,是電池輸出特性的重要指標并由太陽能電池的材料和結(jié)構所決定,一般FF在60%～85%左右,本文中的FF值只有45.04%,說明了電池的質(zhì)量不是很高.FF表征了電池本身性能的好壞,隨著FF的增加伏安曲線趨于矩形,也即串聯(lián)電阻趨于0,并聯(lián)電阻趨于無窮大,但是FF跟效率并沒有必然的聯(lián)系.相比較于TiO2的轉(zhuǎn)換效率,ZnO電池的效率比較低,在本實驗中最重要的原因是Jsc太低[7].

圖3（b）所示的為太陽能電池的Nyquist圖,圓弧的大小反映了電子轉(zhuǎn)移過程的難易,圓弧直徑越大,阻礙作用也就越大.電子轉(zhuǎn)移阻力大,意味著電子得失就不容易發(fā)生.圖中可看出ZnO電池自身的內(nèi)阻等于38Ω,Nyquist圖應該有兩個半圓,但從圖中只能看出一個半圓,說明電荷在電池中的轉(zhuǎn)移內(nèi)阻較大,在有限的頻率下Nyquist圖沒有出現(xiàn)低頻率的直線段.

3 小結(jié)

本文測試了ZnO納米棒的染料敏化太陽能電池的Voc、Jsc、FF等重要參數(shù),得到了光電轉(zhuǎn)換效率為0.098%的電池.雖然ZnO具有較高的電子遷移率,但是有限的比表面積的ZnO太陽能電池轉(zhuǎn)換效率仍需要進一步的提高.針對上述問題,需要進一步在光陽極及對電極上覆蓋二層ZnS阻擋層,以減少電子的復合幾率,同時在ZnO表面包裹一層TiO2以提高光電轉(zhuǎn)換效率.

[1]Stefan H,Magdalena M,Amaresh M,et al.Significant improvement of dye-sensitized solar cell performance by small structural modification in π-conjugated donor acceptor dyes[J].Advanced Functional Materials,2012,22（6）：1291-1302.

[2]Jin B B,Zeng J H,Wang Y F,et al.Uniform single-crystalline zinc oxide round nanodisks,a comprehensive study on the hydrothermal grow th[J].Materials Letters,2012,85：7-10.

[3]Zhang Y,Xu J Q,Xiang Q,et al.The brush-like hierarchical ZnO nanostructures：synthesis,photoluminescence and gas sensor properties[J].J.Phys.Chem.C,2009,113：3430-3435.

[4]Zeng J H,Jin B B,Wang Y F,et al.Facet enhanced photocatalytic effect w ith uniform single-crystalline zinc oxide nanodisks[J].Chem.Phys.Lett.,2009,472：90-95.

[5]Deng Z T,Yan H,Liu Y.Band gap engineering of quaternary-alloyed ZnCdSSe quantum dots via a facile phosphine-free colloidal method[J].J.Am.Chem.Soc.,2009,131（49）：17744-17745.

[6]Zhu X B,Fang X D,Deng Z H,et al.The Effects of hydrothermal grow th conditions of ZnO nanorods arrays on flexible dye-sensitized solar cells[J].Journal of Inorganic Materials,2012,27（7）：1-5.

[7]Yan L T,Wu F L,Peng L,et al.Photoanode of dye-sensitized solar cells based on a ZnO/TiO2composite film[J].International Journa l ofPho toene rgy,2012,2012：1-4.