CN102543479A - 一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法 - Google Patents

一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法，该方法是在不同直径的培养皿当中生长ZnO材料，通过溶剂的不同蒸发速率，得到双层的ZnO纳米棒材料，下层为直径较小的ZnO纳米棒，上层为直径较大的ZnO纳米棒。用此双层结构作为光阳极材料，组装成染料敏化和量子点敏化太阳能电池，提高了这两类太阳能电池的开路电压，短路电流和光电转换效率。本发明采用双层结构ZnO作为光阳极材料价格便宜，制备方法简单，易于操作，并且适宜大面积制作。

Description

一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，更具体涉及一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法 
背景技术
近年来能源短缺造成国际石油价格逐年疯长，太阳能作为一种来源丰富且干净环保的新能源备受瞩目。染料敏化太阳能电池(DSSCs)是近年来新研发的一种低成本且高光电转换效率的太阳能电池。DSSCs是由瑞士科学家Micheal 的团队于1991年提出，兴起了各界对DSSC电池的研究热潮(O’Regan，B.， 
Figure BSA00000624803900012
M.，Nature，1991，353，737)。DSSCs是将吸附了染料的宽禁带半导体纳米晶薄膜作为正极，表面镀有一层铂的导电玻璃作为对电极，正极和对电极之间加入氧化-还原电解质形成的。染料分子吸收太阳光能，电子从基态跃迁到激发态，激发态上面的电子快速注入紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外电路到对电极产生光电流。然而，染料的稳定性还有待进一步的提高，而且价格也相对较高，所以采用价格便宜的窄禁带无机半导体量子点作为敏化剂，可以降低电池的成本，提高稳定性，这种电池成为量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)。一般染料吸收一个光子最多产生一个电子，量子点可以由一个高能光子产生多个电子，大大提高量子产率(Nozik，A.J.，PhysicaE，2002，14，115)。 
敏化太阳能电池的光阳极通常是采用多孔TiO2纳米晶颗粒薄膜，然而TiO2的电子扩散常数为5x10-5cm2/s，相比宽禁带的ZnO纳米棒来说要低，但是由于ZnO纳米棒的比表面积相比TiO2纳米晶颗粒来说要低的多，造成吸附的染料与量子点的数量相对要少，也造成ZnO作为光阳极的敏化太阳能电池的效率低下，例如东南大学的研究学者采用了两步水热的方法合成了一种下层为ZnO纳米棒上层为ZnO纳米花的双层结构，组装成CdS敏化太阳能电池后达到0.45％的光电转换效率(J.Chen，Applied Surface Science，2009，255，7508)，CN201010150241.6公开了一种用溶胶-凝胶技术在FTO玻璃片上沉积氧化锌薄膜，其次采用水热自组装生长技术在氧化锌薄膜上生长氧化锌纳米线阵列，然后在上面涂覆一层由胶体化学自组装生长的多分散系氧化锌微球制作成的氧化锌纳米结构复合光阳极。 
发明内容
为了克服上述的缺陷，本发明提供了一种用于量子点太阳电池的双层结构ZnO光阳极材料，此方法为一步水热法，生长的材料包含双层结构，下层为一层直径较小的ZnO纳 米棒，上层为一层直径较大的ZnO纳米棒，组装成敏化太阳能电池后提高了此类电池的开路电压、短路电流与光电转换效率。 
本发明是通过以下技术方案实施的： 
一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法，该方法是在不同的直径的培养皿当中生长ZnO，由于溶剂不同的蒸发速率，形成ZnO双层结构作为量子点敏化太阳能电池的光阳极材料。
所述方法中下层的ZnO纳米棒的直径在20-100nm之间。 
所述方法中上层的ZnO纳米棒的直径在200-400nm之间。 
所述方法的具体步骤为： 
1)配备0.01M-0.1M的可溶性锌盐和C6H12N4的混合溶液10-100ml；
2)将步骤1)配备的溶液放入60-100℃的恒温箱中保持10-100min；
3)步骤2)中的配备的溶液放入直径为50-150mm的培养皿中；
4)将清洗干净的导电基底放入步骤3)中的溶液当中；
5)将步骤4)的溶液放入60-100℃的恒温箱中生长1-15h得到待敏化的ZnO双层结构光阳极材料。
本发明的优点在于：在不同直径的培养皿当中生长ZnO纳米材料，通过溶剂不同的蒸发速率，生长了双层ZnO纳米棒结构，下层是一层直径较小的ZnO纳米棒，上层为一种直径较大的ZnO纳米棒，此种结构有利于量子点在ZnO表面的吸附，以及对太阳光不断的反射加强对其的利用，提高了太阳能电池的开路电压，短路电流和光电转换效率。此方法简单，价格便宜，易于操作，并且适宜大面积制作。在100mW/cm2的光强条件下，组装成染料敏化太阳能电池可达到0.642％的光电转换效率。组装成CdS量子点敏化太阳能电池的光电转化效率为1.011％，开路电压达到0.693V，短路电流为3.973mA/cm2，填充因子37％，比单层ZnO纳米棒作为光阳极的电池转换效率高出约150％。 
本发明将通过下面实例来进行举例说明，但是，本发明并不限于这里所描述的实施方案，本发明的实施例仅用于进一步阐述本发明。对于本领域的技术人员对本发明的内容所进行的替代、改动或变更，这些等价形式同样落入本申请所限定的范围内。 
附图说明
图1为FTO上生长直径较小的ZnO纳米棒的SEM图； 
图2为在直径较小的ZnO纳米棒上生长直径较大的ZnO纳米棒的SEM图； 
图3为CdS敏化后的光阳极材料的EDX图谱；
图4为单层ZnO纳米棒作为光阳极与双层结构ZnO纳米棒作为光阳极的CdS量子点敏化太阳能电池的I-V曲线。
图5为单层ZnO纳米棒作为光阳极与双层结构ZnO纳米棒作为光阳极的CdS量子点敏化太阳能电池的性能参数。
图6为双层结构ZnO纳米棒作为光阳极的染料敏化太阳能电池的I-V曲线。
具体实施方式
一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法，该方法是在不同直径的培养皿当中生长ZnO纳米材料，通过溶剂不同的蒸发速率，形成ZnO双层结构作为量子点敏化太阳能电池的光阳极材料。 
所述方法的具体步骤为： 
1)配备0.01M-0.1M的可溶性锌盐和C6H12N4的混合溶液10-100ml；
2)将步骤1)配备的溶液放入60-100℃的恒温箱中保持10-100min；
3)步骤2)中的配备的溶液放入直径为50-150mm的培养皿中；
4)将清洗干净的导电基底放入步骤3)中的溶液当中；
5)将步骤4)的溶液放入60-100℃的恒温箱中生长1-15h得到待敏化的ZnO双层结构光阳极材料。
实施例1 
一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法的具体步骤为：
1)配备0.01M的可溶性锌盐和C6H12N4的混合溶液50ml；
2)将步骤1)配备的溶液放入95℃的恒温箱中保持30min；
3)步骤2)中的配备的溶液放入直径为50mm的培养皿中；
4)将清洗干净的导电基底放入步骤3)中的溶液当中；
5)将步骤4)的溶液放入95℃的恒温箱中生长10h得到待敏化的ZnO双层结构光阳极材料。
将制备的复合结构光阳极材料浸泡入N719染料当中，组装成染料敏化太阳能电池，对电极采用传统的热分解法制备Pt对电极。
实施例2 
一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法的具体步骤为：
1)配备0.01M的可溶性锌盐和C6H12N4的混合溶液50ml；
2)将步骤1)配备的溶液放入95℃的恒温箱中保持30min；
3)步骤2)中的配备的溶液放入直径为75mm的培养皿中；
4)将清洗干净的导电基底放入步骤3)中的溶液当中；
5)将步骤4)的溶液放入95℃的恒温箱中生长10h得到待敏化的ZnO双层结构光阳极材料。
将制备的复合结构光阳极材料组装成CdS量子点敏化太阳能电池。将此复合结构光阳极材料交替浸入30℃的0.3M Cd(NO3)2的乙醇与水的混合溶液中和0.3M的Na2S的乙醇与水的混合溶液中5min，成为敏化后的光阳极材料，其中乙醇与水的体积比为1∶1。对电极采用传统的热分解法制备Pt对电极。
实施例3 
一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法的具体步骤为：
1)配备0.01M的可溶性锌盐和C6H12N4的混合溶液50ml；
2)将步骤1)配备的溶液放入95℃的恒温箱中保持30min；
3)步骤2)中的配备的溶液放入直径为120mm的培养皿中；
4)将清洗干净的导电基底放入步骤3)中的溶液当中；
5)将步骤4)的溶液放入95℃的恒温箱中生长10h得到待敏化的ZnO双层结构光阳极材料。
将制备的复合结构光阳极材料组装成CdS量子点敏化太阳能电池。具体的组装方式如实施例2。 

Claims (7)

1.一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法，其特征在于所述方法是在不同直径的培养皿中生长双层ZnO结构，作为光阳极组装成敏化太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极，其特征在于所述的下层结构为ZnO纳米棒，直径为20-100nm。
3.根据权利要求1所述的敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极，其特征在于所述的上层结构为ZnO纳米棒，直径为200-400nm。
4.根据权利要求1所述的敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极，其特征在于所述的ZnO薄膜的厚度为10-30μm。
5.一种用于敏化太阳能电池的双层结构ZnO光阳极及制备方法，其特征在于所述方法的具体步骤为：
1)配备0.01M-0.1M的可溶性锌盐和C6H12N4的混合溶液10-100ml；
2)将步骤1)配备的溶液放入60-100℃的恒温箱中保持10-100min；
3)步骤2)中的配备的溶液放入直径为50-150mm的培养皿中；
4)将清洗干净的导电基底放入步骤3)中的溶液当中；
5)将步骤4)的溶液放入60-100℃的恒温箱中生长1-15h得到待敏化的ZnO双层结构光阳极材料。
6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的双层结构结构光阳极及制备方法用于制作染料敏化太阳能电池，其特征在于：将此光阳极材料浸泡入有机敏化染料当中1～48h，组装成染料敏化太阳能电池电池。
7.根据权利要求1、2、3、4、5所述的双层结构结构光阳极及制备方法用于制作量子点敏化太阳能电池，其特征在于：将此光阳极材料放入含有半导体量子点阳离子的可溶性硝酸盐溶液中1～100min，再放入含有半导体量子点阴离子的可溶性溶液中1～100min，再组装成量子点敏化太阳能电池。
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