ZnO纳米球薄膜的制备及光电性能

钟蓉(江西现代职业技术学院，江西 南昌 330095)

0 引言

随着当今世界的高速发展，环保和能源危机越来越凸显，为了更好地去应对能源带来的危机，关于太阳能电池相关研究变得越来越多。染料敏化太阳能电池(简称DSSC)由于制备工艺相对比较简单，成为取代硅电池的首选。DSSC结构由3层组成，一层为光阳极，中间一层是电解液，最后一层是对电极。之前很多研究学者一直致力于TiO2光阳极薄膜的研究，但是发现用TiO2薄膜作为光阳极效率一直不高，主要是TiO2比较高的表面态密度使光生电子容易被捕获和热释放，从而降低了光生电子被收集的概率，同时也严重影响短路电流密度，从而使电池的光电转换效率不是很高。故导致DSSC电池效率比较低。然而ZnO由于与TiO2电位比较接近，具有比较高的传输电子能力，让它成为目前研究比较广泛的光阳极薄膜。同时ZnO制备过程中对温度要求不高，工艺操作比较简单，且制备的ZnO形貌具有多样性，故ZnO在DSSC中的应用越来越广泛。

具有多级结构的ZnO纳米球由于拥有比较大的比表面积和装载更多的染料等优势使其研究也越来越广泛，2007年 G. Z. Cao[1]对其进行了研究，后期ZnO纳米球[2-5]的研究不断出现。这种ZnO纳米球有两个方面的优势，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，这些优势可以更加利于短路电流提高，从而提升电池性能。

文章报道了用醇热法制备的多级结构的ZnO纳米球，将其应用于DSSC中，主要报道了膜厚和烧成制度对电池性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

主要原料及试剂如表1所示。

表1 主要原料及试剂

1.2 导电玻璃的预处理

本实验使用的FTO是直接购买而来，故需要对其进行一定的处理，处理工艺有三步：(1)大的玻璃切成几小块，每一块长为7.5 cm，宽为2 cm，并测出导电的一面；(2)用专门的清洁剂清洗导电玻璃的杂质；(3)依次用蒸馏水和酒精超声清洗20 min，多次循环处理，清洗好后放在酒精中保存。

1.3 ZnO纳米球的制备

以一缩二乙二醇先为溶剂，进行油浴当预热到160 ℃，将锌源和掺杂的LiAc·2H2O进行冷凝回流2 h，待液体冷却后用离心机对其进行分离处理，先用离子水对其离心处理4次，然后再用酒精对其离心处理4次，清洗后的粉体在一定温度下烘干。

1.4 ZnO纳米球薄膜的制备

ZnO纳米球粉、松油醇、乙基纤维素(10 mPas)、乙基纤维素(46 mPas)按1∶4.05∶0.28∶0.22的质量比混合制备成ZnO纳米球浆料，将ZnO纳米球浆料先进行刮涂使其附着在FTO上，在450 ℃温度下煅烧，即可得到ZnO纳米球光阳极膜。

1.5 染料和电解质的制备

将叔丁醇与乙腈按照体积1：1混合配制10 mL溶液，用分析天平称取N719染料大约0.006 g，然后将称好的染料溶解在配制的10 mL混合溶液中，然后利用超声设备对其进行分散处理，超声5 min使其溶解的比较彻底，待超声工序完成后即得5×10-4M的N719染料溶液。分别在1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、4-叔丁基吡啶及异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的电解质溶液，备用。

1.6 对电极的制备

将氯铂酸加入到异丙醇按照一定比例混合，配制成3×10-3M氯铂酸(H2PtCl6)溶液，然后将其采用滴定法被均匀附着在导电玻璃上，利用抽真空设备对其进行处理，然后进行晾干，将烘干好的附有氯铂酸溶液导电玻璃进行煅烧处理，将电炉烧成温度设为400 ℃，并保温15 min，使H2PtCl6热分解生成铂均匀的覆盖在FTO表面。

1.7 光阳极制备及DSSC电池组装

0.5 mM的N719作为溶液，将制备好的ZnO光阳极浸于其中，待2 h后，用无水乙醇对其进行冲洗，除去表面物质，待冲洗后再放在烘箱中进行烘干，然后依次将光阳极、热解Pt、对电极进行组装变成电池。

2 结果与讨论

2.1 ZnO纳米球薄膜厚度对电池性能的影响

不同膜厚下的电池的性能参数如表2所示，对应的电池效率图如图1所示。从表2可看出，膜厚度从25 μm增加到29 μm，短路电流密度提高了44.5%，电池效率提高了56.8%。随着膜厚的增加，更多的染料被附着在光阳极膜上，导致电流上升，这一点可以在图1效率图中看出。然而继续增加膜厚，电池效率反而在下降，这是由于膜厚增加，传输路径变长，电子被复合的几率增大。从而使电池效率下降。

表2 不同膜厚电池的性能参数

图1 不同膜厚电池效率

2.2 ZnO纳米球薄膜烧成制度不同对电池性能的影响

不同烧成制度下的电池的性能参数如表3所示，不同烧成制度下的电池效率及阻抗图如图2所示。5#烧成制度是室温—80 min—450 ℃—20 min—450 ℃；6#烧成制度是室温—80 min—450 ℃—30 min—450 ℃；7#烧成制度是室温—80 min—450 ℃—10 min—450 ℃，保温时间从10 min到20 min再到30 min时，效率从2.22%到3.55%再到2.22%其变化在一个很大的范围，主要是保温时间不同，而保温时间是影响尺寸大小的主要因数，从而影响对染料的吸收。

表3 不同烧成制度电池的性能参数

图2 不同烧成制度电池效率

3 结语

在其他制备工艺条件相同情况下，当ZnO纳米球光阳极膜膜厚为29 μm时，保温时间30 min时，得到的电池性能最好，该电池的光电转换效率达到3.55%。