ZnO納米球薄膜的制備及光電性能

鐘蓉(江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330095)

0 引言

隨著當(dāng)今世界的高速發(fā)展，環(huán)保和能源危機(jī)越來越凸顯，為了更好地去應(yīng)對(duì)能源帶來的危機(jī)，關(guān)于太陽能電池相關(guān)研究變得越來越多。染料敏化太陽能電池(簡稱DSSC)由于制備工藝相對(duì)比較簡單，成為取代硅電池的首選。DSSC結(jié)構(gòu)由3層組成，一層為光陽極，中間一層是電解液，最后一層是對(duì)電極。之前很多研究學(xué)者一直致力于TiO2光陽極薄膜的研究，但是發(fā)現(xiàn)用TiO2薄膜作為光陽極效率一直不高，主要是TiO2比較高的表面態(tài)密度使光生電子容易被捕獲和熱釋放，從而降低了光生電子被收集的概率，同時(shí)也嚴(yán)重影響短路電流密度，從而使電池的光電轉(zhuǎn)換效率不是很高。故導(dǎo)致DSSC電池效率比較低。然而ZnO由于與TiO2電位比較接近，具有比較高的傳輸電子能力，讓它成為目前研究比較廣泛的光陽極薄膜。同時(shí)ZnO制備過程中對(duì)溫度要求不高，工藝操作比較簡單，且制備的ZnO形貌具有多樣性，故ZnO在DSSC中的應(yīng)用越來越廣泛。

具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的ZnO納米球由于擁有比較大的比表面積和裝載更多的染料等優(yōu)勢使其研究也越來越廣泛，2007年 G. Z. Cao[1]對(duì)其進(jìn)行了研究，后期ZnO納米球[2-5]的研究不斷出現(xiàn)。這種ZnO納米球有兩個(gè)方面的優(yōu)勢，一方面可以提供光的利用效率；另一方面可以吸附更多的染料，這些優(yōu)勢可以更加利于短路電流提高，從而提升電池性能。

文章報(bào)道了用醇熱法制備的多級(jí)結(jié)構(gòu)的ZnO納米球，將其應(yīng)用于DSSC中，主要報(bào)道了膜厚和燒成制度對(duì)電池性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

主要原料及試劑如表1所示。

表1 主要原料及試劑

1.2 導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)使用的FTO是直接購買而來，故需要對(duì)其進(jìn)行一定的處理，處理工藝有三步：(1)大的玻璃切成幾小塊，每一塊長為7.5 cm，寬為2 cm，并測出導(dǎo)電的一面；(2)用專門的清潔劑清洗導(dǎo)電玻璃的雜質(zhì)；(3)依次用蒸餾水和酒精超聲清洗20 min，多次循環(huán)處理，清洗好后放在酒精中保存。

1.3 ZnO納米球的制備

以一縮二乙二醇先為溶劑，進(jìn)行油浴當(dāng)預(yù)熱到160 ℃，將鋅源和摻雜的LiAc·2H2O進(jìn)行冷凝回流2 h，待液體冷卻后用離心機(jī)對(duì)其進(jìn)行分離處理，先用離子水對(duì)其離心處理4次，然后再用酒精對(duì)其離心處理4次，清洗后的粉體在一定溫度下烘干。

1.4 ZnO納米球薄膜的制備

ZnO納米球粉、松油醇、乙基纖維素(10 mPas)、乙基纖維素(46 mPas)按1∶4.05∶0.28∶0.22的質(zhì)量比混合制備成ZnO納米球漿料，將ZnO納米球漿料先進(jìn)行刮涂使其附著在FTO上，在450 ℃溫度下煅燒，即可得到ZnO納米球光陽極膜。

1.5 染料和電解質(zhì)的制備

將叔丁醇與乙腈按照體積1：1混合配制10 mL溶液，用分析天平稱取N719染料大約0.006 g，然后將稱好的染料溶解在配制的10 mL混合溶液中，然后利用超聲設(shè)備對(duì)其進(jìn)行分散處理，超聲5 min使其溶解的比較徹底，待超聲工序完成后即得5×10-4M的N719染料溶液。分別在1-丁基-3-甲基咪唑碘鹽、4-叔丁基吡啶及異硫氰酸胍的乙腈混合溶液中添加KI和I2，配制成0.06 M LiI和0.03 M I2的電解質(zhì)溶液，備用。

1.6 對(duì)電極的制備

將氯鉑酸加入到異丙醇按照一定比例混合，配制成3×10-3M氯鉑酸(H2PtCl6)溶液，然后將其采用滴定法被均勻附著在導(dǎo)電玻璃上，利用抽真空設(shè)備對(duì)其進(jìn)行處理，然后進(jìn)行晾干，將烘干好的附有氯鉑酸溶液導(dǎo)電玻璃進(jìn)行煅燒處理，將電爐燒成溫度設(shè)為400 ℃，并保溫15 min，使H2PtCl6熱分解生成鉑均勻的覆蓋在FTO表面。

1.7 光陽極制備及DSSC電池組裝

0.5 mM的N719作為溶液，將制備好的ZnO光陽極浸于其中，待2 h后，用無水乙醇對(duì)其進(jìn)行沖洗，除去表面物質(zhì)，待沖洗后再放在烘箱中進(jìn)行烘干，然后依次將光陽極、熱解Pt、對(duì)電極進(jìn)行組裝變成電池。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZnO納米球薄膜厚度對(duì)電池性能的影響

不同膜厚下的電池的性能參數(shù)如表2所示，對(duì)應(yīng)的電池效率圖如圖1所示。從表2可看出，膜厚度從25 μm增加到29 μm，短路電流密度提高了44.5%，電池效率提高了56.8%。隨著膜厚的增加，更多的染料被附著在光陽極膜上，導(dǎo)致電流上升，這一點(diǎn)可以在圖1效率圖中看出。然而繼續(xù)增加膜厚，電池效率反而在下降，這是由于膜厚增加，傳輸路徑變長，電子被復(fù)合的幾率增大。從而使電池效率下降。

表2 不同膜厚電池的性能參數(shù)

圖1 不同膜厚電池效率

2.2 ZnO納米球薄膜燒成制度不同對(duì)電池性能的影響

不同燒成制度下的電池的性能參數(shù)如表3所示，不同燒成制度下的電池效率及阻抗圖如圖2所示。5#燒成制度是室溫—80 min—450 ℃—20 min—450 ℃；6#燒成制度是室溫—80 min—450 ℃—30 min—450 ℃；7#燒成制度是室溫—80 min—450 ℃—10 min—450 ℃，保溫時(shí)間從10 min到20 min再到30 min時(shí)，效率從2.22%到3.55%再到2.22%其變化在一個(gè)很大的范圍，主要是保溫時(shí)間不同，而保溫時(shí)間是影響尺寸大小的主要因數(shù)，從而影響對(duì)染料的吸收。

表3 不同燒成制度電池的性能參數(shù)

圖2 不同燒成制度電池效率

3 結(jié)語

在其他制備工藝條件相同情況下，當(dāng)ZnO納米球光陽極膜膜厚為29 μm時(shí)，保溫時(shí)間30 min時(shí)，得到的電池性能最好，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.55%。