*付文涵

(成都市實(shí)驗(yàn)外國語學(xué)校 四川 610000)

水熱合成ZnO及其復(fù)合材料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

*付文涵

(成都市實(shí)驗(yàn)外國語學(xué)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(diǎn).介紹了水熱法合成納米氧化鋅的方法以及近年來關(guān)于ZnO改性復(fù)合材料應(yīng)用于染料敏化太陽能電池光陽極的研究進(jìn)展,論述了ZnO復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn),并分析了該材料研究的發(fā)展方向.

ZnO合成;改性復(fù)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(zhì)的介觀體系.由于納米粒子具有特殊的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),導(dǎo)致納米粒子具有了特殊的光、電、熱、磁、力和化學(xué)特性.化學(xué)方法合成的納米材料的特性及其應(yīng)用范圍受到納米材料本身的微觀結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)受到了很大關(guān)注.對(duì)ZnO來說,這種納米材料具有較強(qiáng)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(qiáng),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(jié)構(gòu)單一、尺寸分布均一、配比較為完整的納米結(jié)構(gòu).近二十年來,隨著納米材料合成技術(shù)的不斷改進(jìn),特別是分子束外延法(MBE)、金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)等先進(jìn)的技術(shù)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(jīng)多見報(bào)道.ZnO納米材料,由于表面極性高,不經(jīng)修飾和包覆的ZnO納米材料的表面能很高,很容易導(dǎo)致納米ZnO發(fā)生團(tuán)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(zhì)中的分散能力和親和力、擴(kuò)大納米材料的應(yīng)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(dǎo)體納米,能帶隙為3.37eV,激子結(jié)合能為60meV,具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性及良好的電子性能,可廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)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(duì)世界能源危機(jī),環(huán)境污染越來越嚴(yán)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(zhuǎn)變?yōu)殡娔芏蔀榻暄芯康臒狳c(diǎn)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(chǎn)成本低和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),受到了廣泛關(guān)注.ZnO在用于構(gòu)造第三代太陽能電池時(shí),ZnO為光陽極的光電轉(zhuǎn)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(yuǎn)大于TiO2,有利于減少電子在薄膜間的傳輸時(shí)間,減少光生電子的復(fù)合幾率,在太陽能電池領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用,被認(rèn)為是可替代TiO2的半導(dǎo)體材料之一.納米ZnO的原材料價(jià)格低廉,制備工藝比較簡單,對(duì)生長環(huán)境要求不高,可以在相對(duì)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(duì)應(yīng)用于DSSC不同形貌的ZnO復(fù)合材料光陽極及其水熱合成方法進(jìn)行了綜述,簡要分析了不同ZnO復(fù)合材料對(duì)光陽極對(duì)器件光伏性能的影響,對(duì)研究不同性質(zhì)的光陽極及效率之間的關(guān)系具有重要指導(dǎo)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(qū)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(shí)研究了反應(yīng)合成的條件對(duì)形成的氧化鋅納米晶形貌的影響.實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),反應(yīng)時(shí)間的長短對(duì)產(chǎn)物形貌、結(jié)構(gòu)沒有明顯的影響.而改變溫度,ZnO的形貌會(huì)發(fā)生很大的變化.在最有條件下得到的多枝柱狀這種結(jié)構(gòu)可使產(chǎn)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(yīng)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(duì)合成的材料進(jìn)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(jié)構(gòu),半徑大約在5μm,多孔納米片的寬度在500nm-1μm,邊緣均是方形結(jié)構(gòu).研究發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的氧化鋅具有很好的光電效應(yīng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)ZnO納米晶結(jié)構(gòu)的調(diào)整.實(shí)驗(yàn)探索了堿式碳酸鋅、聚乙二醇、碳酸鈉熱水等作為前驅(qū)體和不同的分散介質(zhì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(zhì)對(duì)納米氧化鋅粉形貌有很大的影響.隨著水熱時(shí)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(shí)驗(yàn)研究了不同的反應(yīng)條件對(duì)ZnO形貌的影響.結(jié)果表明,pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和溶液濃度都會(huì)對(duì)合成的納米ZnO的形貌和晶體質(zhì)量產(chǎn)生影響.通過實(shí)驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn),當(dāng)溶液濃度為0.57mol/L,pH值為6.0,97℃條件下,反應(yīng)16h可以獲得六方柱狀結(jié)構(gòu).形成的機(jī)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(jié)構(gòu).

謝志強(qiáng)等以ZnO作為鋅源、NaOH為礦化劑、鹽酸為反應(yīng)溶液pH調(diào)節(jié)劑,采用水熱反應(yīng)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(shí)驗(yàn)以反應(yīng)溫度、Zn2+和OH-濃度實(shí)驗(yàn)了對(duì)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(duì)甲基橙具有良好的紫外光降解性能.

3.ZnO改性/ZnO復(fù)合物用于染料敏化太陽能電池

崔旭梅等人采用絲網(wǎng)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(fù)合薄膜光陽極以及TiO2/ZnO雙層薄膜光陽極,研究了ZnO對(duì)TiO2薄膜光陽極的調(diào)制改性作用.研究結(jié)果表明分別以醋酸鋅和ZnO直接摻雜合成的TiO2-ZnO復(fù)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(fù)合薄膜光陽極使電池轉(zhuǎn)換效率提高了1倍,而由于微米量級(jí)的ZnO的粒徑大,用其作原料制得的復(fù)合薄膜光陽極反而使電池的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率提高了13倍,通過性能優(yōu)化后電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(duì)ZnO帶隙及染料敏化太陽能電池光電性能的影響.結(jié)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(dǎo)致其UV-Vis譜吸收帶邊紅移,且隨著摻雜摩爾分?jǐn)?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(zhuǎn)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(jīng)過旋涂法合成了ZnO納米線/SnO2納米顆粒核殼復(fù)合納米結(jié)構(gòu).在染料敏化太陽能電池中,與單一結(jié)構(gòu)的ZnO納米陣列或SnO2納米顆粒光陽極相比,所合成的新型復(fù)合納米結(jié)構(gòu)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(fù)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(yùn)用刮涂法制備氧化鋅二氧化鈦復(fù)合光陽極膜,與Pt對(duì)電極和電解質(zhì)組裝成染料敏化太陽能電池.研究表明,在ZnO/TiO2復(fù)合光陽極電池中,由于電極的復(fù)合,使禁帶寬度發(fā)生變化,注入導(dǎo)帶的電子數(shù)量增多.純TiO2光陽極電池光電轉(zhuǎn)化率為7.95%,添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氧化鋅有利于短路電流密度和光電轉(zhuǎn)化效率的增大,當(dāng)二氧化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),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(zhuǎn)化效率.

4.結(jié)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(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)納米ZnO結(jié)構(gòu)和形貌的調(diào)整空政,實(shí)現(xiàn)提高光陽極性能的目的.針對(duì)納米ZnO表面缺陷較多,電荷復(fù)合嚴(yán)重的情況,可以通過合成特殊的納米ZnO結(jié)構(gòu)來改善.通過對(duì)納米ZnO材料結(jié)構(gòu)的改變和表面處理等方式,有望得到較高的敏化劑負(fù)載和較小的電荷復(fù)合,從而實(shí)現(xiàn)敏化電池的光電轉(zhuǎn)換效率的提高.

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付文涵(2000-),男,成都市實(shí)驗(yàn)外國語學(xué)校;研究方向:化學(xué).

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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