ZnO基在染料敏化太陽(yáng)能電池的應(yīng)用及其表面改性

黃予涵

摘要：本文簡(jiǎn)要的介紹了ZnO基在燃料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用，從ZnO的研究進(jìn)展、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、光催化機(jī)理、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用等方面展開(kāi)了介紹。

關(guān)鍵詞：染料敏化太陽(yáng)能電池；ZnO

染料敏化太陽(yáng)能電池由于生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，對(duì)環(huán)境要求較低，能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，備受大眾喜愛(ài)。它主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對(duì)電極和導(dǎo)電基底幾部分組成，ZnO由于其各種優(yōu)秀特性成為光陽(yáng)極的主要材料之一。另一方面，石墨烯作為一種零帶隙導(dǎo)電材料，具有極高的載流子遷移率、特殊的運(yùn)輸特性和電化學(xué)穩(wěn)定性；將其引入染敏光陽(yáng)極，可以縮短電子傳輸路徑，來(lái)提高光電轉(zhuǎn)化效率。

1.1 ZnO的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

ZnO成本低，無(wú)污染，傳輸電子能力強(qiáng)，且具有易結(jié)晶性和各向異性生長(zhǎng)的特點(diǎn)，所以可控性強(qiáng)，可通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件來(lái)獲得ZnO不同特性的納米結(jié)構(gòu)，但缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差。

1.2 ZnO光催化劑的催化機(jī)理

氧化鋅的能帶寬度與氧化鐵相近，且電子傳輸效率高，生長(zhǎng)條件易于實(shí)現(xiàn)，將其運(yùn)用于染料敏化太陽(yáng)能電池中，雖然氧化鈦因其表面存在大量的表面態(tài)，延遲了電子的傳輸，造成電子復(fù)合幾率增大，電子損失多，但是以氧化鋅為光陽(yáng)極材料組裝成的的能量轉(zhuǎn)換效率仍然沒(méi)能超過(guò)氧化鈦，究其原因主要是氧化鋅易與酸堿反應(yīng)，在酸性染料的腐燭下穩(wěn)定性差，因此我們可以通過(guò)尋找適合氧化鋅的敏化染料材料、在氧化鋅表面包覆其他材料形成核殼結(jié)構(gòu)以保護(hù)氧化鋅不被腐燭，或者在氧化鋅納米薄膜下面加一層散射層以增加光散射能力，促進(jìn)光的吸收等方法改善氧化鋅在染料敏化太陽(yáng)能電池中的性能[1]。

1.3 ZnO在其他方面的應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)

氧化鋅的用途十分廣泛，主要用于橡膠、油漆、涂料、印染、玻璃、醫(yī)藥、化工和陶瓷等工業(yè)。納米氧化鋅因其全新的納米特性體現(xiàn)出許多新的物理化學(xué)性能。納米氧化鋅除了作為微米級(jí)或亞微米級(jí)氧化鋅的替代產(chǎn)品外，在抗菌添加劑、防曬劑、催化劑與光催化劑、氣體傳感器、圖像記錄材料、吸波材料、導(dǎo)電材料、壓電材料、橡膠添加劑等新的應(yīng)用場(chǎng)合也正在或即將投入應(yīng)用。ZnO納米薄膜的導(dǎo)電性跟光生電子的濃度，和光生電子的傳輸率都有很大關(guān)系，其中光生電子的傳輸率又是取決于所制備氧化鋅的納米結(jié)構(gòu)的。如果氧化鋅薄膜中晶粒的尺寸較小，晶粒表面雜質(zhì)缺陷很少，并且晶粒的取向性好，分散性好，結(jié)晶度高，組織致密化程度高，那么光生電子在傳輸過(guò)程中就不容易散射，電子傳輸率就高，薄膜的導(dǎo)電性也就越好[2]。

1.4 ZnO的表面改性

在這些應(yīng)用過(guò)程中，大多是與有機(jī)物相混的，而氧化鋅作為無(wú)機(jī)物直接添加到有機(jī)物中有相當(dāng)大的困難：

① 顆粒表面能高，處于熱力學(xué)非穩(wěn)定狀態(tài)，極易聚集成團(tuán)，從而影響了納米顆粒的實(shí)際應(yīng)用效果；

② 氧化鋅表面親水疏油，呈強(qiáng)極性，在有機(jī)介質(zhì)中難于均勻分散，與基料之間沒(méi)有結(jié)合力，易造成界面缺陷，導(dǎo)致材料性能下降。所以，必須對(duì)納米氧化鋅進(jìn)行表面改性，以消除表面高能勢(shì)，調(diào)節(jié)疏水性，改善與有機(jī)基料之間的潤(rùn)濕性和結(jié)合力，從而最大限度地提高材料性能和填充量，降低原料成本[3]。

本文主要是對(duì)改性過(guò)程中的主要條件變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，就改性前后的粉體進(jìn)行了必要的表征與分析。并將改性后的納米氧化鋅均勻地?fù)饺肓司郯滨ブ校瑢?shí)現(xiàn)了與有機(jī)聚合物的良好混合 在新開(kāi)發(fā)的納米氧化鋅應(yīng)用中，大多是將氧化鋅直接混入有機(jī)物中，而把氧化鋅直接添加到有機(jī)物中有相當(dāng)大的困難，因此必須對(duì)納米氧化鋅進(jìn)行表面改性。以自制納米氧化鋅為原料，采用四氯化鈦為改性劑對(duì)其進(jìn)行了表面改性處理。

由表3.5 ZnO表面改性可知，通過(guò)TiCl4表面處理的氧化鋅，制成染料敏化太陽(yáng)能的電池性能，光電轉(zhuǎn)化效率有明顯提高，其中摻雜0.005%石墨烯的光電轉(zhuǎn)化效率提高尤為明顯，為1.79%：摻雜0.005%石墨烯的效率比純氧化鋅高0.32%。由圖3.6表面處理 J-V曲線圖可知，經(jīng)過(guò)TiCl4表面處理的氧化鋅和摻雜石墨烯，發(fā)現(xiàn)摻雜0.005%石墨烯的光電轉(zhuǎn)化效率比純氧化鋅高2.03%。

參考文獻(xiàn)：

[1]才紅，納米氧化鋅的制備和表面改性，2000，365：993-1000.

[2]Wang zhou，etal.Visible-light photocatalytic，solar thermal andphotoelectrochemical properties of aluminium-reduced black titania[J].Energy Environ.Sci.，2013，6：3007-3014.

[3]王洋，劉博，納米二氧化鈦光催化材料研究進(jìn)展[J].化學(xué)教育，2014，8：89-97.endprint