ZnO納米球薄膜的制備及光電性能

鐘蓉(江西現代職業技術學院，江西 南昌 330095)

0 引言

隨著當今世界的高速發展，環保和能源危機越來越凸顯，為了更好地去應對能源帶來的危機，關于太陽能電池相關研究變得越來越多。染料敏化太陽能電池(簡稱DSSC)由于制備工藝相對比較簡單，成為取代硅電池的首選。DSSC結構由3層組成，一層為光陽極，中間一層是電解液，最后一層是對電極。之前很多研究學者一直致力于TiO2光陽極薄膜的研究，但是發現用TiO2薄膜作為光陽極效率一直不高，主要是TiO2比較高的表面態密度使光生電子容易被捕獲和熱釋放，從而降低了光生電子被收集的概率，同時也嚴重影響短路電流密度，從而使電池的光電轉換效率不是很高。故導致DSSC電池效率比較低。然而ZnO由于與TiO2電位比較接近，具有比較高的傳輸電子能力，讓它成為目前研究比較廣泛的光陽極薄膜。同時ZnO制備過程中對溫度要求不高，工藝操作比較簡單，且制備的ZnO形貌具有多樣性，故ZnO在DSSC中的應用越來越廣泛。

具有多級結構的ZnO納米球由于擁有比較大的比表面積和裝載更多的染料等優勢使其研究也越來越廣泛，2007年 G. Z. Cao[1]對其進行了研究，后期ZnO納米球[2-5]的研究不斷出現。這種ZnO納米球有兩個方面的優勢，一方面可以提供光的利用效率；另一方面可以吸附更多的染料，這些優勢可以更加利于短路電流提高，從而提升電池性能。

文章報道了用醇熱法制備的多級結構的ZnO納米球，將其應用于DSSC中，主要報道了膜厚和燒成制度對電池性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

主要原料及試劑如表1所示。

表1 主要原料及試劑

1.2 導電玻璃的預處理

本實驗使用的FTO是直接購買而來，故需要對其進行一定的處理，處理工藝有三步：(1)大的玻璃切成幾小塊，每一塊長為7.5 cm，寬為2 cm，并測出導電的一面；(2)用專門的清潔劑清洗導電玻璃的雜質；(3)依次用蒸餾水和酒精超聲清洗20 min，多次循環處理，清洗好后放在酒精中保存。

1.3 ZnO納米球的制備

以一縮二乙二醇先為溶劑，進行油浴當預熱到160 ℃，將鋅源和摻雜的LiAc·2H2O進行冷凝回流2 h，待液體冷卻后用離心機對其進行分離處理，先用離子水對其離心處理4次，然后再用酒精對其離心處理4次，清洗后的粉體在一定溫度下烘干。

1.4 ZnO納米球薄膜的制備

ZnO納米球粉、松油醇、乙基纖維素(10 mPas)、乙基纖維素(46 mPas)按1∶4.05∶0.28∶0.22的質量比混合制備成ZnO納米球漿料，將ZnO納米球漿料先進行刮涂使其附著在FTO上，在450 ℃溫度下煅燒，即可得到ZnO納米球光陽極膜。

1.5 染料和電解質的制備

將叔丁醇與乙腈按照體積1：1混合配制10 mL溶液，用分析天平稱取N719染料大約0.006 g，然后將稱好的染料溶解在配制的10 mL混合溶液中，然后利用超聲設備對其進行分散處理，超聲5 min使其溶解的比較徹底，待超聲工序完成后即得5×10-4M的N719染料溶液。分別在1-丁基-3-甲基咪唑碘鹽、4-叔丁基吡啶及異硫氰酸胍的乙腈混合溶液中添加KI和I2，配制成0.06 M LiI和0.03 M I2的電解質溶液，備用。

1.6 對電極的制備

將氯鉑酸加入到異丙醇按照一定比例混合，配制成3×10-3M氯鉑酸(H2PtCl6)溶液，然后將其采用滴定法被均勻附著在導電玻璃上，利用抽真空設備對其進行處理，然后進行晾干，將烘干好的附有氯鉑酸溶液導電玻璃進行煅燒處理，將電爐燒成溫度設為400 ℃，并保溫15 min，使H2PtCl6熱分解生成鉑均勻的覆蓋在FTO表面。

1.7 光陽極制備及DSSC電池組裝

0.5 mM的N719作為溶液，將制備好的ZnO光陽極浸于其中，待2 h后，用無水乙醇對其進行沖洗，除去表面物質，待沖洗后再放在烘箱中進行烘干，然后依次將光陽極、熱解Pt、對電極進行組裝變成電池。

2 結果與討論

2.1 ZnO納米球薄膜厚度對電池性能的影響

不同膜厚下的電池的性能參數如表2所示，對應的電池效率圖如圖1所示。從表2可看出，膜厚度從25 μm增加到29 μm，短路電流密度提高了44.5%，電池效率提高了56.8%。隨著膜厚的增加，更多的染料被附著在光陽極膜上，導致電流上升，這一點可以在圖1效率圖中看出。然而繼續增加膜厚，電池效率反而在下降，這是由于膜厚增加，傳輸路徑變長，電子被復合的幾率增大。從而使電池效率下降。

表2 不同膜厚電池的性能參數

圖1 不同膜厚電池效率

2.2 ZnO納米球薄膜燒成制度不同對電池性能的影響

不同燒成制度下的電池的性能參數如表3所示，不同燒成制度下的電池效率及阻抗圖如圖2所示。5#燒成制度是室溫—80 min—450 ℃—20 min—450 ℃；6#燒成制度是室溫—80 min—450 ℃—30 min—450 ℃；7#燒成制度是室溫—80 min—450 ℃—10 min—450 ℃，保溫時間從10 min到20 min再到30 min時，效率從2.22%到3.55%再到2.22%其變化在一個很大的范圍，主要是保溫時間不同，而保溫時間是影響尺寸大小的主要因數，從而影響對染料的吸收。

表3 不同燒成制度電池的性能參數

圖2 不同燒成制度電池效率

3 結語

在其他制備工藝條件相同情況下，當ZnO納米球光陽極膜膜厚為29 μm時，保溫時間30 min時，得到的電池性能最好，該電池的光電轉換效率達到3.55%。