ZnO纳米棒在染料敏化太阳能电池中的应用

范咏梅,娄慧慧,杨胜沛,娄天军,张玉泉

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.新乡市功能有机分子重点实验室,河南新乡453003）

随着能源的紧缺,新能源的开发越来越受到各国的重视,而太阳能作为取之不尽用之不竭的重要能源,已经引起广泛的研究[1].在太阳能电池方面,对TiO2的研究最多,并且取得了不错的转换效率.而在众多的半导体中,ZnO是最有希望代替TiO2宽禁半导体材料.一维结构的ZnO纳米材料能够避免零维纳米材料无序堆积而造成的颗粒之间界面结构的复杂性,有利于电子的高速传输,降低电子的再复合的几率[2].

本文采用沉淀法制备了一维ZnO纳米棒,构建了染料敏化太阳能电池,并对其电化学性能进行了研究.

1 试验部分

1.1 试验试剂及测试仪器

试验试剂：二水醋酸锌（Zn（Ac）2·2H2O）、氨水、碘（I2）、碘化钾（KI）、乙腈、乙二醇、乙基纤维素、松油醇等,实验中用试剂均为分析纯.

测试仪器：1530VP场发射扫描电镜（SEM）观察ZnO的形貌；电化学工作站（CHI660D）用于电化学性能测试,XQ氙灯（XQ350-5 00 W）提供光源.

1.2 ZnO纳米棒的制备

参照文献[3],用电子天平称取25 g Zn（Ac）2·2H2O,在磁力搅拌下加入到250 mL蒸馏水中,逐滴加入氨水,调节溶液的pH=8,然后放置陈化1 h.将得到的白色沉淀抽滤并用蒸馏水洗涤,在105℃下干燥12 h,研磨,400℃下马弗炉中煅烧2 h,得到纳米ZnO纳米棒材料.

1.3 ZnO纳米棒染料敏化太阳电池的组装

1.3.1 Zn O纳米棒光阳极的制备 称取0.5 g ZnO纳米棒材料,加入10 mL无水乙醇充分研磨30 min,加入20 mL无水乙醇将浆料转移到烧杯中,在搅拌下加入0.1 g乙基纤维素和2.5 mL松油醇搅拌30 min,接着超声30 min,如此交替3次,然后在70℃下加热蒸发乙醇得到ZnO纳米棒浆料.采用刮涂方法将ZnO纳米棒浆料刮涂在导电玻璃上,面积为1 cm×1 cm,然后马弗炉中450℃烧30 min.将烧结好的ZnO基薄膜浸泡在N719乙醇溶液中24 h使其充分吸附,取出后用无水乙醇冲洗多余的溶液,自然干燥后用于封装测试[4].

1.3.2 对电极及电解液的制备

对电极为铂电极：已打孔的导电玻璃导电面朝上,将氯铂酸溶液喷在玻璃导电面,380℃烧30 min,反复3次.

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

1.3.3 电池的封装 将光阳极与对电极按照“夹心三明治”的结构封装在一起,电解液是由对电极的小孔中利用毛细管加入并用蜡封,太阳能电池封装如图1所示.

图1 染料敏化太阳能电池封装示意Fig.1 Schematic diagram of the dye-sensitized solar cells

2 结果与讨论

2.1 ZnO纳米棒SEM表征

如图2展示了ZnO纳米材料的SEM照片.

图2 不同倍数的ZnO纳米棒SEM图谱Fig.2 Differentmultiples SEM images ofzinc oxide nanorod

由图2可知,所制备ZnO材料为长度均匀、分散性良好的一维纳米棒.大小均一、形貌均匀的纳米棒因其具有较大的长径比和定向传导电子的能力,有利于电子的快速传输,进而提高光生电子与空穴的分离,进而增强太阳能电池的光电化学性能.图2（b）是ZnO纳米棒的局部放大照片,可以看出ZnO为实心短棒且底部为正六边形.

2.2 ZnO纳米棒染料敏化太阳电池的测试

实验利用氙灯模拟太阳光,通过电化学工作站测试了ZnO纳米棒染料敏化太阳电池的电流密度-光电压（J-V）特性曲线图和Nyquist图,如图3所示.电池标准测试条件：AM 1.5、100 W/cm2；电流密度-光电压特性曲线图测试条件：电压为开路电位；扫描速率为：0.02 V/s；灵敏度为：10～6 A/V.Nyquist图测试条件：初始电平为开路电位；频率0.001～105 Hz.

图3 染料敏化太阳能电池的电化学性能Fig.3 Electrochemical character ofdye-sensitized solar cells

从图3（a）所示的J-V曲线可以看出,电池的开路电压（Voc）为0.64 V、短路电流（Jsc）为0.34 mA/cm2,填充因子（FF）为45.04%,光电转换效率（η）为0.098%.其中Voc主要是由于ZnO的导带与电解液的氧化还原电位的能级差所决定,Jsc大小与光吸收、光生电子注入以及电子传输与复合特性有关[6].测试的结果可以看出,ZnO纳米棒的Jsc不高,可能原因是ZnO纳米棒表面积不大表面吸附的染料有限,导致光吸收不高；另一方面,虽然ZnO具有比TiO2更高的电子迁移率,但是电子的复合几率还是比较高,这也是导致Jsc不高的可能原因之一.FF是最大输出功率和电路短路电流和开路电压的乘积之比,是电池输出特性的重要指标并由太阳能电池的材料和结构所决定,一般FF在60%～85%左右,本文中的FF值只有45.04%,说明了电池的质量不是很高.FF表征了电池本身性能的好坏,随着FF的增加伏安曲线趋于矩形,也即串联电阻趋于0,并联电阻趋于无穷大,但是FF跟效率并没有必然的联系.相比较于TiO2的转换效率,ZnO电池的效率比较低,在本实验中最重要的原因是Jsc太低[7].

图3（b）所示的为太阳能电池的Nyquist图,圆弧的大小反映了电子转移过程的难易,圆弧直径越大,阻碍作用也就越大.电子转移阻力大,意味着电子得失就不容易发生.图中可看出ZnO电池自身的内阻等于38Ω,Nyquist图应该有两个半圆,但从图中只能看出一个半圆,说明电荷在电池中的转移内阻较大,在有限的频率下Nyquist图没有出现低频率的直线段.

3 小结

本文测试了ZnO纳米棒的染料敏化太阳能电池的Voc、Jsc、FF等重要参数,得到了光电转换效率为0.098%的电池.虽然ZnO具有较高的电子迁移率,但是有限的比表面积的ZnO太阳能电池转换效率仍需要进一步的提高.针对上述问题,需要进一步在光阳极及对电极上覆盖二层ZnS阻挡层,以减少电子的复合几率,同时在ZnO表面包裹一层TiO2以提高光电转换效率.

[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.