[发明专利]一种双层氧化锌光阳极结构及光伏应用

说明书

本发明提供了一种双层复合结构ZnO光阳极制备方法，不但制备方法简单，更重要的是这种结构充分发挥了两种ZnO结构各自的优点，又能相互补充，使光阳极在电子传输、光散射、机械附着力、电解质渗透、染料吸附等方面均具有优异的性能，基于此光阳极的染料敏化太阳能电池在电池性能方面会有明显的提高。

技术领域

本发明属于新能源材料与器件领域，具体涉及一种双层氧化锌光阳极制备方法。

背景技术

氧化锌（ZnO）是一种典型的II-VI族金属氧化物，分子量81.37，密度5.606 g•cm-3，熔点1975℃，沸点2360℃。常见的ZnO晶体结构为六方纤锌矿结构和立方闪锌矿结构，其中，纤锌矿结构的ZnO更加稳定。作为一种典型的直接带隙N型半导体材料，ZnO在常温下的禁带宽度为3.37eV，与GaN禁带宽度相似，同时它的激子结合能高达60 meV，远大于硒化锌（ZnSe）、GaN等半导体材料，因此具有重要的应用价值。此外，ZnO具有有特殊的导电、导热性能和良好的生物相容性，加之材料来源十分丰富，因此具有极大的应用价值。随着材料生长工艺及的大幅发展，ZnO已经在诸多领域展现出了优异的性能，如透明电极、紫外探测器、发光二极管、太阳能电池、超级电容器、纳米发电机、应力应变传感器、气敏传感器、生物传感器等。

染料敏化太阳电池（DSCs）是通过模仿光合作用而研制出的一种新型太阳能电池。DSCs是一种具有代表性的第三代光伏技术，其核心工作原理是利用染料分子进行光吸收，利用半导体材料进行光生电荷的分离与收集，最终将太阳能转化为电能。DSCs具有如下优点：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。从1991年瑞士洛桑联邦理工（EPFL）Grätzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金用于DSCs的研发。作为DSCs的核心组成部分，光阳极对电池性能起着决定性作用。光阳极在DSCs中的作用主要为吸附染料、收集并传输光生电子。当前，最常见的两种光阳极材料为具有锐钛矿晶型的氧化钛（TiO2）和具有纤锌矿晶型的氧化锌（ZnO），两种材料具有相当的带隙宽度，但ZnO在电子传输以及形貌调控方面更加具有优势。以ZnO为光阳极的染料敏化太阳能电池也被称为ZnO-DSCs。对ZnO光阳极开展表/界面修饰和形貌调控是提升ZnO-DSCs性能的有效途径。例如，希腊的Maria Vasilopoulou等人曾使用空气及水蒸汽低温等离子体对ZnO表面进行修饰处理，除去了ZnO表面覆盖的多余正电荷，降低Zn²⁺/染料团簇的形成机率，从而有效提高了电子注入效率及电池效率。此外，一些研究者提出使用复合光阳极为电子的快速迁移提供有效通道，提高电子迁移速率，加强电荷分离能力，改善电池性能。如中国东南大学的Xu等人使用石墨烯与ZnO复合，有效延长了光生电子寿命，降低了内电阻，得到了5.86%的光电转换效率。更多的研究者是从光阳极微纳结构设计出发进行研究，以此提高电池性能。近些年来，研究者通过合成具有各种丰富新颖形貌的ZnO纳米材料（如纳米花，纳为棒，纳米团簇，纳米阵列等）作为光阳极来增大材料的比表面积、增加染料吸附量、拓宽光吸收范围，从来提高光能利用率。如北京化工大学的夏涛研究组利用水热法合成的纳米海胆结构得到6.40%的光电转换效率，大连理工大学马廷丽研究组利用多级团簇结构将ZnO的效率提高到6.42%。