水熱合成ZnO及其復合材料在染料敏化太陽能電池中的應用

*付文涵

(成都市實驗外國語學校 四川 610000)

水熱合成ZnO及其復合材料在染料敏化太陽能電池中的應用

*付文涵

(成都市實驗外國語學校 四川 610000)

ZnO作為染料敏化太陽能電池(DSSC)光陽極的研究已成為近年來的熱點.介紹了水熱法合成納米氧化鋅的方法以及近年來關于ZnO改性復合材料應用于染料敏化太陽能電池光陽極的研究進展,論述了ZnO復合材料的優(yōu)點,并分析了該材料研究的發(fā)展方向.

ZnO合成;改性復合物;染料敏化太陽能電池

1.前言

納米材料的定義為納米粒子的直徑為1-100nm,介于宏觀物體和原子簇之間的小納米粒子.無論是從宏觀或者微觀來看,納米材料是一種具有典型性質的介觀體系.由于納米粒子具有特殊的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應,導致納米粒子具有了特殊的光、電、熱、磁、力和化學特性.化學方法合成的納米材料的特性及其應用范圍受到納米材料本身的微觀結構、尺寸和形貌等特殊因素的影響,因此納米粒子的形貌、尺寸大小和結構的調節(jié)受到了很大關注.對ZnO來說,這種納米材料具有較強的自組裝生長能力,在一定的合成條件下,分子間的相互作用力很強,作用明顯,分子可以按照晶格排列定向的做外延生長,形成結構單一、尺寸分布均一、配比較為完整的納米結構.近二十年來,隨著納米材料合成技術的不斷改進,特別是分子束外延法(MBE)、金屬-有機化學氣相沉積法(MOCVD)等先進的技術手段的出現(xiàn),利用ZnO生長過程中的自組裝性能,具有特殊形貌、尺寸和性能的納米ZnO(如:納米線、納米帶、納米棒、納米片等)的合成已經多見報道.ZnO納米材料,由于表面極性高,不經修飾和包覆的ZnO納米材料的表面能很高,很容易導致納米ZnO發(fā)生團聚.因此納米ZnO的良好分散性成為了科研工作人員的追求.降低納米材料的表面極性、提高納米ZnO在介質中的分散能力和親和力、擴大納米材料的應用范圍的有效方法是表面修飾和表面改性.ZnO作為II-VI族過渡金屬氧化物的n型半導體納米,能帶隙為3.37eV,激子結合能為60meV,具有較高的化學穩(wěn)定性及良好的電子性能,可廣泛應用于多個領域,如:光催化、光電探測器、二極管、壓敏電阻、太陽能電池和氣體傳感器等.

面對世界能源危機,環(huán)境污染越來越嚴重,科研人員一直致力于大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源的研究工作.作為資源最豐富的可再生能源,太陽能是人類一直能夠利用的能源,所以,能將太陽能轉變?yōu)殡娔芏蔀榻暄芯康臒狳c的太陽能電池,尤其是染料敏化太陽能電池(簡稱DSSC電池),由于工藝簡單、生產成本低和實用性強等優(yōu)點,受到了廣泛關注.ZnO在用于構造第三代太陽能電池時,ZnO為光陽極的光電轉換效率高,并且與TiO2具有相似的能帶隙,且ZnO的電子遷移率遠大于TiO2,有利于減少電子在薄膜間的傳輸時間,減少光生電子的復合幾率,在太陽能電池領域中得到了廣泛應用,被認為是可替代TiO2的半導體材料之一.納米ZnO的原材料價格低廉,制備工藝比較簡單,對生長環(huán)境要求不高,可以在相對較低的溫度下生長,所使用的襯底也可以是多樣的,既可以生長在單晶襯底上,也可以生長在非晶襯底上,是很有發(fā)展前景的太陽能電池光陽極材料.本文針對應用于DSSC不同形貌的ZnO復合材料光陽極及其水熱合成方法進行了綜述,簡要分析了不同ZnO復合材料對光陽極對器件光伏性能的影響,對研究不同性質的光陽極及效率之間的關系具有重要指導性意義.

2.水熱法合成納米氧化鋅

丁巖芝等人以Zn(Ac)2.2H2O和NH3.H2O為原料,以Zn(NH3)4(Ac)2為前驅體,在低溫條件下采用水熱法制備出了多柱型氧化鋅納米立方柱.同時研究了反應合成的條件對形成的氧化鋅納米晶形貌的影響.實驗研究發(fā)現(xiàn),反應時間的長短對產物形貌、結構沒有明顯的影響.而改變溫度,ZnO的形貌會發(fā)生很大的變化.在最有條件下得到的多枝柱狀這種結構可使產物具有較大的比表面積,比球形氧化鋅的比表面積大,更加利于納米氧化鋅的應用開發(fā).

韓永蔚等人以水熱方法合成了球狀納米氧化鋅.通過對合成的材料進行表征可以發(fā)現(xiàn),該納米材料的表面有很多多孔狀納米片,通過自助裝形成的分散微球狀結構,半徑大約在5μm,多孔納米片的寬度在500nm-1μm,邊緣均是方形結構.研究發(fā)現(xiàn)這種結構的氧化鋅具有很好的光電效應和光催化活性.

王艷香等人利用水熱法合成了氧化鋅納米棒.通過改變合成條件,實現(xiàn)了對ZnO納米晶結構的調整.實驗探索了堿式碳酸鋅、聚乙二醇、碳酸鈉熱水等作為前驅體和不同的分散介質,實現(xiàn)了對納米氧化鋅形貌的控制,得到了不同尺寸的納米棒和納米片.發(fā)現(xiàn)水熱介質對納米氧化鋅粉形貌有很大的影響.隨著水熱時間的延長和水熱溫度的提高,只是粒徑變粗,由100到200nm,而長度都約為400nm,長徑比減少.

徐曉虹等人采用水熱法,以二水醋酸鋅和六次甲基四胺為原料,制備了納米ZnO.通過形貌和特性分析可以看出,得到的納米ZnO為六方柱狀.實驗研究了不同的反應條件對ZnO形貌的影響.結果表明,pH值、反應溫度、反應時間和溶液濃度都會對合成的納米ZnO的形貌和晶體質量產生影響.通過實驗探索發(fā)現(xiàn),當溶液濃度為0.57mol/L,pH值為6.0,97℃條件下,反應16h可以獲得六方柱狀結構.形成的機理可能是在一定的水熱條件下,醋酸鋅與六次甲基四胺水解后形成晶核,由于(0001)晶面的生長速率大于其它晶面,以及(0001)晶面易俘獲原子,使得成核后的ZnO沿(0001)面定向生長,最終形成六方柱狀結構.

謝志強等以ZnO作為鋅源、NaOH為礦化劑、鹽酸為反應溶液pH調節(jié)劑,采用水熱反應法制備出來了花狀ZnO納米棒.通過材料表征可以發(fā)現(xiàn),得到的ZnO納米棒直徑在200 nm左右,長度約為2μm,球狀納米片集合的直徑約為5μm,納米片的厚度約為50nm左右.實驗以反應溫度、Zn2+和OH-濃度實驗了對ZnO形貌的控制.用于光降解甲基橙研究發(fā)現(xiàn),花狀ZnO納米棒對甲基橙具有良好的紫外光降解性能.

3.ZnO改性/ZnO復合物用于染料敏化太陽能電池

崔旭梅等人采用絲網印刷的方式制備了染料敏化太陽能電池的TiO2薄膜光陽極、TiO2-ZnO復合薄膜光陽極以及TiO2/ZnO雙層薄膜光陽極,研究了ZnO對TiO2薄膜光陽極的調制改性作用.研究結果表明分別以醋酸鋅和ZnO直接摻雜合成的TiO2-ZnO復合薄膜光陽極同未摻雜的TiO2薄膜光陽極相比,以醋酸鋅為原料合成的復合薄膜光陽極使電池轉換效率提高了1倍,而由于微米量級的ZnO的粒徑大,用其作原料制得的復合薄膜光陽極反而使電池的轉換效率有所降低.以醋酸鋅為原料合成的TiO2/ZnO雙層薄膜光陽極與TiO2薄膜光陽極相比,該太陽能電池的轉換效率提高了13倍,通過性能優(yōu)化后電池的轉換效率達到4.7%.

張凌云等利用Nd摻雜溶液法制備ZnO,并研究了Nd摻雜對ZnO帶隙及染料敏化太陽能電池光電性能的影響.結果表明:Nd原子取代Zn原子摻雜到ZnO晶格中;Nd摻雜使ZnO帶隙窄化,導致其UV-Vis譜吸收帶邊紅移,且隨著摻雜摩爾分數(shù)的增加,紅移和窄化程度增大;摻雜Nd可提高電池的光電流及光電轉換效率.

趙天等人采用水熱/溶劑熱法合成了一維ZnO納米線陣列和均勻SnO2納米粒子,經過旋涂法合成了ZnO納米線/SnO2納米顆粒核殼復合納米結構.在染料敏化太陽能電池中,與單一結構的ZnO納米陣列或SnO2納米顆粒光陽極相比,所合成的新型復合納米結構的光陽極能有效地提高光電性能,有利于染料的吸附;能有效地抑制ZnO與電解液界面的電子復合,提高了電子壽命.

王艷香等人利用粒徑為25到35納米的氧化鋅與粒徑為30到40納米的二氧化鈦簡單混合,采用球磨工藝制備漿料,運用刮涂法制備氧化鋅二氧化鈦復合光陽極膜,與Pt對電極和電解質組裝成染料敏化太陽能電池.研究表明,在ZnO/TiO2復合光陽極電池中,由于電極的復合,使禁帶寬度發(fā)生變化,注入導帶的電子數(shù)量增多.純TiO2光陽極電池光電轉化率為7.95%,添加一定質量分數(shù)的氧化鋅有利于短路電流密度和光電轉化效率的增大,當二氧化鋅質量分數(shù)為2%時,短路電流密度最大,從而提高了電子壽命,增加了電池的光電轉化效率.

4.結語

介紹一些水熱法合成的具有特殊形貌的納米ZnO和ZnO納米材料在敏化太陽能電池中的應用情況.基于目前的研究可以發(fā)現(xiàn),通過一定的合成條件可以實現(xiàn)對納米ZnO結構和形貌的調整空政,實現(xiàn)提高光陽極性能的目的.針對納米ZnO表面缺陷較多,電荷復合嚴重的情況,可以通過合成特殊的納米ZnO結構來改善.通過對納米ZnO材料結構的改變和表面處理等方式,有望得到較高的敏化劑負載和較小的電荷復合,從而實現(xiàn)敏化電池的光電轉換效率的提高.

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付文涵(2000-),男,成都市實驗外國語學校;研究方向:化學.

The Application of Hydrothermal SySYnthesis of ZnO and Its Composite Materials in Dye-Sensitized Solar Cells

Fu Wenhan
(Chengdu Experimental Foreign Languages School, Sichuan, 610000)

As a dye - sensitized solar cell ( DSSC ), ZnO has become a hot topic in recent years. This paper introduces the method of hydrothermal synthesis of zinc oxide and the research progress of ZnO modified composite materials' application in dye - sensitized solar cells, and discusses the advantages of ZnO composite materials and analyzes the development direction of the research.

synthesis of ZnO;modified composite;dye-sensitized solar cell

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