ZnO薄膜的电沉积及在量子点敏化太阳能电池中的应用

摘要

能源从来都是是人类社会发展的重要驱动力。从20世纪中叶开始，人类进入能源高消费阶段，现有的能源已经无法满足经济社会发展的需要，能源危机已成为人类面临的最大挑战。而发展高效率、低成本、可持续利用的太阳能电池是解决能源危机的一种有效途径，同时对保护生态环境具有重要的意义。由染料敏化太阳能电池发展而来的量子点敏化太阳能电池(QDSC)具有很高的理论效率、低成本和很好的稳定性，有很大的发展潜力，受到人们的广泛关注。
　　纳米半导体氧化物薄膜作为电子收集材料，是量子点敏化太阳能电池的重要组成部分。目前性能最好的是TiO2纳米材料。而随着纳米材料科学的发展，越来越多的材料和纳米结构被用于QDSC。其中，ZnO纳米材料因为其优良的电子迁移率和纳米形貌易于控制的特性而受到人们的青睐。在本文中，我们先电沉积ZnO纳米片，在这个基础上合成ZnO纳米片-纳米棒、纳米球，还以ZnO纳米片为模板合成了由SnO2纳米片和TiO2纳米颗粒组成的复合薄膜，并将ZnO纳米片-纳米棒结构和SnO2/TiO2复合薄膜使用CdS和CdSe共敏化后应用于QDSC中，探究了这几种材料作为光阳极时对QDSC性能的影响。主要研究内容及研究结果如下：
　　（1）使用水热法在电沉积的ZnO纳米片上生长ZnO纳米棒，考察了前驱液浓度对ZnO纳米片-纳米棒结构的影响。通过SEM图观察到了随着前驱液浓度的增加，ZnO纳米片上的凸起逐渐转变成纳米锥，最后又转变为纳米棒的过程，还通过改变水热反应的时间优化了ZnO纳米棒的长度，当水热时间过长时，纳米棒的直径过大，大量的纳米棒挤在一起破坏了之前的有序纳米棒阵列，最终确定10小时为最佳的水热反应时间。
　　（2）通过调整前驱液的浓度至0.15M，还制备出了一种由ZnO纳米棒构成的纳米球。通过控制水热反映的时间考察了纳米球的生长过程，发现在水热过程中由于过量的六亚甲基四胺的分解，造成了强碱性的环境，从而导致了ZnO纳米片被腐蚀，ZnO薄膜的形貌发生了重构。同时还考察了电沉积时间对ZnO纳米球的形成过程的影响。实验结果表明：要形成由ZnO纳米棒组成的纳米球，则纳米棒生长的过程中不能受到阻挡，可以自由的向各个方向生长。这需要生长ZnO纳米棒的基底表明有比较大的起伏。
　　（3）最后，我们还将前面制备的ZnO纳米片-纳米棒结构的薄膜使用(NH4)2TiF6处理，然后再用CdS和CdSe共敏化作为QDSC的光阳极。最终结果显示，与基于单纯的ZnO纳米片的光阳极相比，基于ZnO纳米片-纳米棒结构的光阳机的短路电流有了很大的提高，最终获得了2.5％的光电转换效率。而从薄膜的UV吸收光谱和QDSC的IPCE图谱中可以观察到，该光阳极在波长为400nm-500nm范围内的吸收和IPCE都远高于其它的光阳极，这说明ZnO纳米片-纳米棒结构有利于使用离子连续反应吸附法(SILAR)沉积CdS。
　　（4）使用电沉积的方法制备了ZnO纳米片薄膜，并以此为模板制备了SnO2纳米片，观察到SnO2纳米片垂直于FTO基底，并且分布有大量的纳米介孔，使用TiCl4处理和沉积TiO2后，由薄膜横截面的SEM图可以看到TiO2已经充分的填充了SnO2纳米片的间隙，几乎分辨不出原有的SnO2纳米片，而整个薄膜呈现出疏松多孔的结构，拥有比较大的比表面积，这有利于量子点的沉积。面元素分析也表明TiO2均匀的分布在整个薄膜内部。将其使用CdS/CdSe共敏化作为QDSC的光阳极，结果表明：复合薄膜的光电子寿命和纯的TiO2薄膜的光电子寿命相当，但是复合薄膜拥有更高的IPCE，获得的总的光电转换效率为3.49%。