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ZnO纳米线的控制生长及在染料敏化太阳能电池中的应用.pdf

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ZnO纳米线的控制生长及在染料敏化太阳能电池中的应用.pdf

h t t p ∥ w w w. j d x b . c n h t t p ∥ z k x b . x j t u . e d u . c n 第 4 7 卷 第 1 期2 0 1 3 年 1 月西 安 交 通 大 学 学 报J O U R N A L O F X I ’ A N J I A O T O N G U N I V E R S I T YV o l . 4 7 N o . 1J a n . 2 0 1 3收稿日期 2 0 1 2 - 0 5 - 2 9 。 作者简介 韩龙飞 ( 1 9 8 7 - ) , 男 , 硕士 ; 钱军民 ( 通信作者 ) , 男 , 副教授 。 基金项目 国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 7 7 3 0 6 2 ) 。网络出版时间 2 0 1 2 - 1 1 - 3 0 网络出版地址 h t t p ∥ w w w. c n k i . n e t / k c m s / d e t a i l / 6 1 . 1 0 6 9 . T. 2 0 1 2 1 1 3 0 . 1 4 3 2 . 0 0 1 . h t m lZ n O 纳米线的控制生长及在染料敏化太阳能电池中的应用韩龙飞 1 , 2 , 钱军民 1 , 2 , 崔宁 1 , 2( 1 . 西安交通大学材料科学与工程学院 , 7 1 0 0 4 9 , 西安 ;2 . 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室 , 7 1 0 0 4 9 , 西安 )摘要 利 用旋 涂 法在 F T O 导 电 玻璃 板 上 制 备 一 层 Z n O 籽晶 , 再 经 水热 生长 , 得 到 杂 乱 的 和 规整 的Z n O 纳米 线 ; 重 复 该 过 程 , 制 备 得 到 带 分 枝 结构 的 Z n O 纳米 线 。 利 用 X 射 线 衍 射 仪 、 扫 描 电子 显微 镜 、 紫 外 - 可 见 分 光光 度 计 和 光 电 转 换 测 试 系 统 等 手 段 , 研究 了 水热 生长 条件对 Z n O 形态和 晶 体结构 的 影响 , 以 及 它们 对 染料 吸 附率 和 光 电 转 换效率 的 影响 。 结 果 表 明 在 生长 液 中 添 加 聚 乙烯 亚胺 有 利 于 Z n O 籽晶 择 优 取 向 单 向 生 长 ; 原 位 生 长 形 成 的 Z n O 纳 米 线 均 为 纤 锌 矿 结 构 , 结 晶 性 良好 ; 影响 带 分 支 结构 Z n O 纳米 线 制 备 的 关键 因 素为 悬挂籽晶 次 数 和 晶 化热 处 理 升 温 速 率 。 解吸 附和 光 电 性 能 测 试 结 果 表 明 , 相 对 于 初 始 的 Z n O 纳米 线 , 带 分 枝 结构 的 Z n O 纳米 线 具 有 更 高 的 染料吸 附率 和 太阳 能 转 换效率 。关键词 氧 化 锌 纳米 线 ; 水热 生长 ; 染料 吸 附率 ; 转 换效率中图分类号 O 6 1 4 . 2 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 8 7 X ( 2 0 1 3 ) 0 1 - 0 0 9 0 - 0 6C o n t r o l l e d G r o w t h o f Z n O N a n o w i r e w i t h A p p l i c a t i o n t oD y e - S e n s i t i z e d S o l a r C e l l sHA N L o n g f e i 1 , 2 , Q I A N J u n m i n 1 , 2 , C U I N i n g 1 , 2( 1 . S c h o o l o f M a t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y , X i ’ a n 7 1 0 0 4 9 , C h i n a ;2 . S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r M e c h a n i c a l B e h a v i o r o f M a t e r i a l s , X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y , X i ’ a n 7 1 0 0 4 9 , C h i n a )A b s t r a c t T h e F T O g l a s s c o a t e d w i t h Z n O s e e d l a y e r w a s p r e p a r e d b y s p i n - c o a t i n g , a n d i t w a sf u r t h e r p l a c e d i n g r o w t h s o l u t i o n t o f o r m m e s s y a n d n e a t Z n O n a n o w i r e s ( NW s ) v i ah y d r o t h e r m a l g r o w t h . B y r e p e a t i n g t h e p r o c e d u r e , b r a n c h e d Z n O NW s w e r e o b t a i n e d .X - r a yd i f f r a c t i o n , U V - v i s i b l e s p e c t r o p h o t o m e t e r , a n d p h o t o e l e c t r i c c o n v e r s i o n t e s t s y s t e m w e r ee m p l o y e d t o a n a l y z e d t h e i n f l u e n c e s o f g r o w t h c o n d i t i o n s o n t h e m o r p h o l o g y a n d c r y s t a l s t r u c t u r eo f Z n O NW s , a n d o n d y e a d s o r p t i o n r a t i o a n d c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y . T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h ea d d i t i o n o f p o l y e t h y l e n i m i n e t o t h e g r o w t h s o l u t i o n f a c i l i t a t e s t h e g r o w t h o f Z n O s e e d a l o n g t h eo p t i m a l c r y s t a l f a c e . Z n O NW s a r e o f h e x a g o n a l w u r t z i t e s t r u c t u r e w i t h g o o d c r y s t a l l i n i t y . T h ek e y f a c t o r s a f f e c t i n g t h e f o r m a t i o n o f b r a n c h e d Z n O NW s a r e t h e n u m b e r o f h a n g i n g s e e d s a n dt h e h e a t i n g r a t e o f c r y s t a l l i z a t i o n h e a t t r e a t m e n t . C o m p a r e d w i t h b a r e Z n O NW s , b r a n c h e d Z n ONW s s h o w h i g h e r d y e a d s o r p t i o n r a t i o a n d c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y .K e y w o r d s Z n O n a n o w i r e ; h y d r o t h e r m a l g r o w t h ; d y e a d s o r p t i o n r a t i o ; c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y第 1 期 韩龙飞 , 等 Z n O 纳米线的控制生长及在染料敏化太阳能电池中的应用h t t p ∥ w w w. j d x b . c n h t t p ∥ z k x b . x j t u . e d u . c n 相对于硅太阳能电池 , 基于半 导体氧化物和有机染料的染料敏化太阳能电池 ( D S C s ) 具有廉价 、 稳定和易制 备 等 优 点 。 D S C s 是 一 个 电 化 学 系 统 , 它以一层宽带隙半导体 ( T i O 2 或 Z n O ) 多孔膜作为吸附染料的光阳极 [ 1 - 3 ] 。 T i O 2 纳米颗粒和纳米线是研究最为 广 泛 的 光 阳 极 材 料 , 其 最 高 转 换 效 率 可 达1 1 . 2 % , 但由于电子在 传 导 过 程 中 再复合及湮灭造成的电子损耗 , 使得进 一 步 提 高 转 换效率变得非常困难 。 为从 根 本 上 解 决 该 问 题 , 有 学 者 对 F e 2 O 3 、S n O 2 、 C e O 2 等氧化物半导体材料进行了研究 , 但结果都不是很理想 [ 4 - 5 ] 。 Z n O 的能带 结构和物理性能与 T i O 2 非常相似 , 其电子迁移率是 T i O 2 的 1 0 2 ~1 0 3 倍 , 因此 , Z n O 理 应 展 示 出 更 快 的 电 子 迁 移 速率 , 从而降低电子传导过程中的损耗 [ 5 - 6 ] 。 虽然近期研究的 Z n O 太阳能电池的转换效率比较低 , 但易结晶化和各向异性生 长 的 特 点 使 得 Z n O 被 认 为 是 最有希望取 代 T i O 2 的光阳极材 料 [ 7 - 9 ] 。 一维 Z n O 光阳极纳米结构 ( 如纳米线 、 纳米带 、 纳米管等 ) 已得到了广泛研究 [ 2 , 4 , 6 , 8 - 1 0 ] 。 这 种 结 构 对 电 子 收 集 提 供 直的传导路径 , 可减小电子传导时的复合概率 , 从而提高转换效率 。 G u 等人 通 过 电 化 学 方法制备了不同长度 Z n O 的 纳 米 阵 列 , 其 D S C s 转 换 效 率 仅 为0 . 2 % ~ 0 . 6 6 % [ 1 0 ] , X u 等人用液相化学生长法制备的 Z n O 纳 米 线 D S C s 的 转 换 效 率 最 高 也 只 有2 . 1 % [ 1 1 ] , 原因是纳 米 线 结 构 有 限 的 比 表 面 积 限 制了转换效率的提高 。 带分枝结构的纳米线被认为是提高 比 表 面 积 和 转 换 效 率 的 一 条 途 径 。 S u h 和B a x t e r 等人采 用 比 较 昂 贵 的 化 学 气 相 沉 积 方 法 制作出一种树枝状 Z n O 纳米线结构 , 使得转换效率有所提高 [ 1 2 - 1 3 ] 。本 研 究 通 过 溶 胶 凝 胶 法 在 导 电 玻 璃 上 铺 一 层Z n O 溶胶 , 经晶化热处 理后形 成 Z n O 籽 晶 , 然 后 采用水热生长 法 并 控 制 反 应 条 件 , 在 F T O 导 电 玻 璃板上直接生长出杂乱的和规整的 Z n O 纳米线 , 以及带分枝结构的 Z n O 纳米线 , 将其用作 D S C s 的光阳极 , 测试分析不同形貌 Z n O 的染料吸附情况及光电转换性能 。1 实 验1 . 1 实验原料及设备实验原料 六水硝酸锌 ( Z n ( N O 3 ) 2 6 H 2 O , 分析纯 , 广州金华太化学试剂有限 公司 ) ; 六亚甲 基 四 胺( C 6 H 1 2 N 4 , 分 析 纯 , 西 安 化 学 试 剂 厂 ) ; 乙 醇 胺( C 2 H 7 N O , 分析纯 , 国药集团化学试剂有限公司 ) ; 乙二醇单甲醚 ( C 3 H 8 O 2 , 分析纯 , 国药集团化学试剂有限公司 ) ; 聚乙烯亚胺 ( P E I , 质量分数 5 0 % , 美国 S i g -m a 公司 ) ; F T O 导电玻璃 ( S n O 2 F , 电阻 1 6 Ω / c m 2 , 武汉格 傲 科 教 仪 器 有 限 公 司 ) ; 液 态 电 解 质 ( D H S -E 3 6 , 大连 七 色 光 有 限 公 司 ) ; D H S - N 7 1 9 染 料 ( C 5 8H 8 6 O 8 N 8 S 2 R u , 分析纯 , 大连七色光有限公司 ) ; 热封沙林膜 ( D H S - S u r l y n 1 7 2 5 , 大连七色光有限公司 ) 。 其他试剂 ( 如无水乙醇等 ) 均为分析纯 , 实验用水为蒸馏水 , 所有试剂均未纯化处理而直接使用 。实验 设 备 水 热 反 应 釜 ( 聚 四 氟 乙 烯 内 衬 ,Φ 2 0m m 5 0m m ) 。1 . 2 实验步骤1 . 2 . 1 光 阳 极 制 备 先 用 洗 液 对 F T O 玻 璃 的 表面进行超声清洗 , 然后分别用丙酮 、 乙醇和高纯水超声清洗 , 反复冲洗干净 , 烘干备用 。籽晶层制备 首先配制 Z n O 溶胶 , 取一定量的硝酸锌溶于乙二醇单甲醚中 , 浓度为 0 . 5m o l / L , 之后加入与锌盐等摩尔量的乙醇胺 , 于 6 0℃ 搅拌 2h , 再室温陈化 2h , 然后利用旋涂法 ( 转速为 2 5 0 0 r / m i n ) 在玻璃的导电面涂覆一层凝胶 , 于 4 5 0℃ 晶 化 热 处 理0 . 5h ( 升 温 速 率 < 5℃ / m i n ) , 为 获 得 致 密 的 籽 晶层 , 可选择反复涂覆 3 ~ 1 0 次 。籽晶的控制生长 配制 2 种不同的生长液 , 生长液 Ⅰ 为 3 0 m m o l / L 六水硝酸锌与六亚甲基四胺的等体积混合水溶液 , 生长液 Ⅱ 为在生长液 Ⅰ 中加入5m m o l / L 的 P E I 后所得的 。 将铺有籽晶层的衬底竖直浸没在上述 2 种生长液中 , 在水热反应釜中于9 5℃ 密封保温 5h , 清洗烘干后即获得 Z n O 纳米线光阳极 。 将制备的 Z n O 纳米线再次悬挂晶种 , 以相同的条件再次水热生长 , 即可获得分枝结构 Z n O 纳米线光阳极 。1 . 2 . 2 解吸 附 测 试 为精确测试不同形貌的 Z n O光阳极吸附染料的情况 , 对其进行解吸附测试 。 首先标定 N 7 1 9 染 料 在 一 定 浓 度 范 围 内 的 浓 度 - 吸 收关系 , 精确测量阳极材料的面积并测试其解吸附后染料溶液的吸收光谱图 ; 然后利用吸收强度 - 浓度曲线的斜率 , 得到单位面积阳极材料对染料的吸附量 。具体实验方法可参见文献 [ 1 4 ] 。1 . 3 样品的表征采用 P A N a l y t i c a l 公司的 X ’ P e r t P r o 型粉末 X射线衍 射 仪 ( X R D ) 对 Z n O 纳 米 线 进 行 物 相 分 析 ,C u K α ( λ = 1 5 . 4 0 5 1 0 - 1 1 m ) 辐 射 , 扫 描 范 围 为 2 0 ~ 8 0 ; 采用 S - 2 7 0 0 型扫描电子显微镜 ( S E M ) 观 察样品的形貌 , 扫描电压为 2 0k V ; 利用北京谱析通用19西 安 交 通 大 学 学 报 第 4 7 卷 h t t p ∥ w w w. j d x b . c n h t t p ∥ z k x b . x j t u . e d u . c n 仪器公司的 T U - 1 8 1 0 型紫外 - 可见分光光度计测量样品的透过光谱及光阳极的 染料吸附率 , 波长范围为 2 0 0 ~ 8 0 0n m 。1 . 4 染料敏化太阳能电池组装与性能检测染料敏化太阳能电池组装 将 Z n O 光阳极板经干燥 0 . 5h 后 , 浸没在 5m m o l / L 的 N 7 1 9 / 无水乙醇中 5 h , 取 出 后 用 无 水 乙 醇 冲 洗 , 避 光 晾 干 。 用D H S - S u r l y n 1 7 2 5 热封薄膜制作成具有一定面积的框状结构 , 夹在 Z n O 光阳极和 P t 电极之间 , 在加热玻璃板的同时施加一定的压力将两极板通过热封膜粘到一起 , 然后通过在 P t 电极上用超声打的小孔注入电解质 D H S - E 3 6 , 再 用 热 封 膜 将 小 孔 封 上 , 即 制得 D S C s 。将组装好的电池置于模拟太阳光的照射下 , 利用线性扫描方法对电极施加 偏压 , 并采用美国吉时利公司的 K e i t h l e y 2 4 0 0 数字源表测得电流 - 电 压 输出特性曲 线 。 扫 描 速 率 取 0 . 0 5 V / s , 扫 描 量 程 为- 0 . 2 ~ 0 . 6V 。2 结果与讨论图 1 在 2 种生长液中制得的 Z n O 纳米线的 X R D 谱图2 . 1 X R D 分析图 1 为籽晶层在生 长液 Ⅰ 与 Ⅱ 中 于 9 5℃ 密 封保温生 长 5h 、 4 5 0℃ 晶 化 热 处 理 后 的 X R D 图 谱 。图谱与 Z n O 的 P D F 卡片 J C P D S N o . 3 6 - 1 4 5 1 数据相吻合 , 表明 2 种样品均为纯纤 锌矿结构 Z n O 。 在生长液 Ⅱ 中制备的 Z n O 纳米线的 ( 0 0 2 ) 晶面衍射峰强度远高于其他晶面的衍射峰强度 , 表明 Z n O 晶种在生长液 Ⅱ 中沿 c 轴取向生长非常强烈 , 这与文献[ 1 5 ] 所得 结 论 相 一 致 。 在 生 长 液 Ⅰ 中 制 备 的 Z n O纳米线的最强衍射峰也在 2 θ = 3 4 . 5 处 , 但其强度相对于其他晶面并没有太大的 优势 , 说明这种形态的Z n O 虽然也是固定取向生长 , 但没有在生长液 Ⅱ 中的取向那么强烈 , 应该 为 在 垂 直 取 向的基础上略带杂乱分布的形态 。2 . 2 S E M 分析图 2 为 Z n O 纳米线的 S E M 图 。 籽晶层在生长液 Ⅰ 中经 9 5℃ 生长 5h 后 , 得 到 图 2 a 所 示 的 杂 乱Z n O 纳 米 线 ( 标 记 为 P 1 ) 。 P 1 分 布 致 密 且 比 较 均匀 , 整个薄膜连续性较好 , 与衬底结合比较紧密 , 单根一维圆柱形态 Z n O 的直径约为 5 0n m 左右 。 在生长液 Ⅱ 中 生 成 的 规 整 结 构 Z n O 纳 米 线 ( 标 记 为P 2 ) 如图 2 b 所示 , 单根直径为 1 0 0 ~ 2 0 0n m , 分布均匀且较为致密 , 顶端呈规整六边形形态 。 对比图 2 a与图 2 b 并结合 X R D 分析结果可知 , 生长液中加入P E I 有利于 Z n O 取 向 生 长 。 P E I 优 先 吸 附 于 Z n O团簇的一些晶面上 , 抑制了这些晶面的生长 , 而暴露于溶液中的晶面 ( 如 ( 0 0 2 ) 晶面 ) 可以继续生长 , 从而形成沿某些晶面择优生长的规整 Z n O 纳米线 [ 1 1 ] 。将 P 1 再 次 悬 挂 晶 种 , 于 4 5 0 ℃ 晶 化 热 处 理0 . 5h ( 升温速率 < 5℃ / m i n ) , 然后在生长液 Ⅱ 中于9 5℃ 生长 5h , 得到图 2 c 所示的杂乱分枝结构 Z n O纳米线 ( 标记为 P 3 ) 。 将 P 2 再次悬挂晶种 , 并用相同方法处理 后 , 得 到 图 2 d 所 示 的 规 整 带 分 枝 结 构Z n O 纳米线 ( 标记为 P 4 ) 。 为得到这种形态的 Z n O纳米线 , 初始 Z n O 纳 米 线 一 般 要 做 得 稀 疏 一 些 , 可通过在涂覆籽晶过程中减少旋涂次数和降低溶胶浓度得以实现 。二次悬挂的 Z n O 籽晶与初始 Z n O 纳米线的结合状态直接影响后续的纳米线生长情况 。 经过数次对比试验 , 发现二次旋涂次数和晶种晶化热处理的升温速率 是 影 响 籽 晶 悬 挂 性 能 的 最 主 要 因 素 。 在P 3 的控制 生 长 过 程 中 , 采 用 1 0℃ / m i n 升 温 , 于 相同条件下生长后得到图 2 e 所示形貌的 Z n O , 原因可能是因为升温速率过快导致悬挂的籽晶脱落 , 随后在水热生长条件下 , 各个籽晶都不断长大 , 从而得到更加稠密的杂乱 Z n O 纳米线 。 在 P 4 的控制生长过程中 , 增加二次悬挂籽晶的旋涂次数至 3 次 , 其他条件不变 , 生长后得 到 图 2 f 所 示 的 结 构 , 由 于 悬 挂 的籽晶过多 , 塞满了部分柱体之间的缝隙 , 导致在残余P E I 作用下连接成 Z n O 薄层 , 水热生长后原始柱体变得粗大 , Z n O 薄 层 变 厚 , 最 后 形 成 类 似 蜂 窝 状 的结构 。2 . 3 解吸附测试按照 1 . 2 . 2 小节所述方法 , 用体积比为 1 ∶ 1 的乙醇和去离子水的混合物为溶剂 , 配制 0 . 0 1 ~ 0 . 2 g / L 的N 7 1 9 染料溶液 , 测试其在 5 2 3n m ( 染料的最强吸收峰 ) 处的吸收强度 , 得到染料浓度与吸收强度的关系曲线 , 经拟合后二者呈线性递增关系 , 线性相关系数29第 1 期 韩龙飞 , 等 Z n O 纳米线的控制生长及在染料敏化太阳能电池中的应用h t t p ∥ w w w. j d x b . c n h t t p ∥ z k x b . x j t u . e d u . c n ( a ) 杂乱 Z n O 纳米线 ( P 1 ) ( b ) 规整 Z n O 纳米线 ( P 2 )( c ) 杂乱分枝结构 Z n O 纳米线 ( P 3 ) ( d ) 规整分枝结构 Z n O 纳米线 ( P 4 )( e ) 制备 P 3 过程中提高升温速率获得的 Z n O 纳米线 ( f ) 制备 P 4 过程中旋涂 3 次获得的 Z n O 纳米线图 2 不同制备条件下获得的 Z n O 纳米线形貌 ( S E M )为 0 . 9 9 5 , 直 线 斜 率 为 1 9 . 7 。 配 制 0 . 1m m o l / L 的N a O H 溶液 ( 水 / 乙醇为溶剂 , 体积比为 1 ∶ 1 ) , 用于解吸附单位面积 ( 1c m 2 ) 的不同形貌 Z n O 光阳极板吸附的染料 , 测量吸收光谱图 ( 如图 3 所示 ) , 并记录在 5 2 3n m 处的吸收强度值 , 计算出染料吸附率 , 见表 1 。 由表 1 可以看出 , 不同形貌 Z n O 纳米线的染料吸附率不同 , 依吸 附 率 值 由 大 到 小 的 排 序 为 P 3 、P 4 、 P 1 、 P 2 。 带分枝结构的 Z n O 纳米线增大了表面积 , 染料吸附率较高 。 相对于规整排列的形貌 , 杂乱分布的 Z n O 纳米线增大了界面的浸润性 , 同时纳米线间的空间也有利于染料浸 入 , 故 对染料的吸附效果更好 。图 3 不同形貌 Z n O 纳米线解吸附 N 7 1 9染料的紫外 - 可见吸收谱39西 安 交 通 大 学 学 报 第 4 7 卷 h t t p ∥ w w w. j d x b . c n h t t p ∥ z k x b . x j t u . e d u . c n 表 1 解吸 附 测 试 结 果Z n O 形貌 相对吸收强度 ( 5 2 3n m 处 ) 染料吸附率 /m g m - 2P 1 0 . 3 3 6 1 7 1P 2 0 . 2 6 4 1 2 5P 3 0 . 4 1 7 2 1 2P 4 0 . 3 6 8 1 8 72 . 4 D S C s 性能测试为研究光阳极板吸附染料前 、 后对不同波段光线的响应吸收情况 , 选取 P 1 光阳极 , 用紫外 - 可见分光光度计测试其吸附染料前 、 后的吸收光谱 , 结果见图 4 。 由图 4 可以看出 染料敏化前 Z n O 光阳极板在 3 0 0 ~ 4 0 0n m 范围内有一定吸收 , 这属于 Z n O 的本征吸收 , 而在 4 0 0 ~ 8 0 0n m 的可见光区基本没有吸收 , 说明其在可见光区高度透明 , 而在紫外区具有强遮蔽性 [ 1 6 ] ; 染 料 敏 化 后 的 Z n O 光 阳 极 不 仅 在 紫外光 区 间 有 很 好 的 吸 收 , 而 且 对 4 0 0 ~ 4 5 0n m 和5 4 0n m 的可见光也表现出比较宽的吸收 , 说明染料敏化使得 Z n O 纳米 线 的 吸 收 范 围 从 紫 外 光 扩 展 到可见光 , 有效扩宽了光阳极的光谱吸收范围 。图 4 吸附 N 7 1 9 染料前 、 后 Z n O 纳米线的紫外 - 可见吸收光谱将组装好的电池置于太阳光模拟器的照射下 ,利用线性扫描方法对电极施加偏压得到电池的 J -V特性曲线 , 如 图 5 所 示 ; 测 试 不 同 电 池 的 开 路 电 压( V o c ) 、 短路电流密度 ( J s c ) 、 填充因 子 ( F f ) 和转换效率 ( E t a ) , 结果见表 2 。表 2 不同 形 貌 Z n O 组 成 的 染料敏 化太阳 能 电 池 的 性 能 数 据Z n O 形貌 J s c / A m - 2 V o c / V F f E t a / %P 1 4 0 . 4 7 0 . 5 5 2 3 2 . 4 9 0 . 7 2 6P 2 4 4 . 3 8 0 . 5 3 6 2 4 . 6 8 0 . 5 8 6P 3 6 6 . 8 9 0 . 4 9 0 2 9 . 6 2 0 . 9 7 1P 4 5 4 . 5 4 0 . 5 1 9 3 0 . 1 5 0 . 8 5 9图 5 不同形貌 Z n O 光阳极组成的染料敏化太阳能电池的 J -V 特性曲线由图 5 及表 2 可 以 看 出 , 4 种 不 同 形 貌 的 Z n O光阳极板组装的 D S C s 按转换效率由高到低排 列 ,依次为 P 3 、 P 4 、 P 1 、 P 2 , 这个结果与表 1 中染料的吸附率结果一致 , 说明染料是吸收并转换太阳能的主要物质 。 P 3 样品的转换效率可达到 0 . 9 7 1 % , 相对P 1 样品 0 . 7 2 6 % 的转换效率 , 提高了 3 3 . 7 % , 而这 2种形态 Z n O 的染料吸附率只有约 2 4 % 的提升 , 这表明染料敏化太阳能电池中影响转换效率的因素不仅仅只有染 料 吸 附 率 这 一 个 。 Z n O 光 阳 极 作 为 一 种载体 , 在吸附染料的同时 也传导电子 。 分枝结构的形态虽然 增 大 了 Z n O 的 表 面 积 , 提 高 了 染 料 吸 附率 , 但同时也增加了电子的传导路程 , 增大了电子损耗的概率 , 不利于转换 效 率 的 提 高 [ 4 - 5 ] 。 由 此 可 见 ,光阳极的结构形态通过对染料吸附量和电子传导的影响 , 进而影响太阳能的转换效率 。3 结 论以硝酸锌和六亚甲基四胺等为原料 , 以 P E I 为控制 Z n O 沿 c 轴取向生长的控制剂 , 利用原位水热生长法 , 可在导电玻璃板上直接制备出结晶性良好且表 面 均 匀 致 密 的 带 分 枝 结 构 和 不 带 分 枝 结 构Z n O 纳米线 。 相对不带分枝结构的 Z n O 纳米线 , 分枝结构 Z n O 纳 米 线 , 尤 其 是 杂 乱 分 枝 结 构 Z n O 纳米线 , 具有更高的染料吸附率和太阳能转换效率 , 其中染料吸附率可提高约 2 4 % , 光电转换效率可提高约 3 4 % 。参考文献 [ 1 ] O R E G A N B , G R A T Z E L M.A l o w c o s t , h i g h - e f f i -c i e n c y s o l a r c e l l b a s e d o n d y e - s e n s i t i z e d c o l l o i d a l T i O 2f i l m s [ J ] . N a t u r e , 1 9 9 1 , 3 5 3 7 3 7 - 7 4 0 .[ 2 ] H S I N M C , W E I H C , C H I A H L .F o r m a t i o n o fb r a n c h e d Z n O n a n o w i r e s f r o m s o l v o t h e r m a l m e t h o d49第 1 期 韩龙飞 , 等 Z n O 纳米线的控制生长及在染料敏化太阳能电池中的应用h t t p ∥ w w w. j d x b . c n h t t p ∥ z k x b . x j t u . e d u . c n a n d d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l s a p p l i c a t i o n s [ J ] .P h y sC h e m C , 2 0 0 8 , 1 1 2 ( 4 2 ) 1 6 3 5 9 - 1 6 3 6 4 .[ 3 ] Z HA N G Q i f e n g , D A N D E N E A U C S , Z H O U X i -a o y u a n .Z n O n a n o s t r u c t u r e s f o r d y e - s e n s i t i z e d s o l a rc e l l s [ J ] . A d v M a t e r , 2 0 0 9 , 2 1 ( 4 1 ) 4 0 8 7 - 4 1 0 8 .[ 4 ] Z HU K a i , K O P I D A K I S N , N E A L E N R. I n f l u e n c e o fs u r f a c e a r e a o n c h a r g e t r a n s p o r t a n d r e c o m b i n a t i o n i nd y e - s e n s i t i z e d T i O 2 s o l a r c e l l s [ J ] .P h y s C h e m B ,2 0 0 6 , 1 1 0 ( 5 0 ) 2 5 1 7 4 - 2 5 1 8 0 .[ 5 ] Y A N G Z h e n z h e n , X U T a o . E n h a n c e d e l e c t r o n t r a n s -p o r t i n d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l s u s i n g s h o r t Z n On a n o t i p s o n a r o u g h m e t a l a n o d e [ J ] . P h y s C h e m C ,2 0 0 9 , 1 1 3 ( 4 7 ) 2 0 5 2 1 - 2 0 5 2 6 .[ 6 ] KWA N G S U K P , X I J u n t i n g , Z HA N G Q i f e n g .C h a r g e t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f Z n O n a n o r o d a g g r e g a t ep h o t o e l e c t r o d e s f o r D S C s [ J ] . P h y s C h e m C , 2 0 1 1 ,1 1 5 ( 4 3 ) 2 0 9 9 2 - 2 0 9 9 9 .[ 7 ] X U F e n g , D A I M i n , L U Y i n o n g .H i e r a r c h i c a l Z n On a n o w i r e - n a n o s h e e t a r c h i t e c t u r e s f o r h i g h p o w e r c o n -v e r s i o n e f f i c i e n c y i n d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l s [ J ] .P h y s C h e m C , 2 0 1 0 , 1 1 4 ( 6 ) 2 7 7 6 - 2 7 8 2 .[ 8 ] X U

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