[发明专利]后嵌入法制备ZnO纳米棒/TiO2纳米颗粒复合薄膜

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池的开发与利用研究领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池复合薄膜的制备方法，其特征是采用后嵌入法制备ZnO纳米棒/TiO₂纳米颗粒复合薄膜。 

背景技术

染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cells，DSC)具有理论转换效率高、原料丰富、材料稳定、制作工艺简单、成本低、对温度和入射光角度依赖小、可大面积制作以及低光量下仍有高转换效率等诸多优点，被认为是最有发展潜力的太阳能电池之一。自1991年瑞士的M. 教授在染料敏化太阳能电池研究取得突破性进展以来，美国、日本、欧洲等发达国家和地区都投入了大量的资金进行研发。 

染料敏化太阳能电池主要由导电基底、纳米多孔半导体薄膜、染料光敏化剂、电解液以及对电极五部分组成。其中，纳米多孔半导体薄膜是染料敏化太阳能电池的核心组成部分之一。纳米多孔半导体薄膜直接影响到染料的吸附量、吸光效率和电子转移。首先，其结构性能决定了染料吸附量；其次，对光的吸收、散射、折射产生重要影响，可使太阳光被染料分子反复吸收，大大提高光的吸收效率；再次，对染料敏化太阳能电池中电子的传输和界面复合起着很重要的作用。因此，纳米多孔半导体薄膜在很大程度上决定了电池的光电转换效率。 

应用于染料敏化太阳能电池的纳米多孔半导体薄膜的材料主要是纳米TiO₂、ZnO、SnO₂、SrTiO₃、Nb₂O₅、Ta₂O₅等半导体氧化物。其中，TiO₂因其来源丰富、廉价无毒、性质稳定、对染料的吸附能力强、转换效率高等显著的优点而成为制备纳米多孔半导体薄膜的主要材料。对于传统的基于TiO₂纳米颗粒薄膜的染料敏化太阳能电池来说，增加TiO₂多孔薄膜的厚度，可以提高染料的吸附量，从而获得更多的光生电子。但同时又会遇到另外一些问题：由于TiO₂多孔薄膜的三维网状结构，电子的传输路径不是笔直的，而是弯弯曲曲的，因此造成了电子传输路径的增加，加剧了电子的损耗；另外，根据扩散模型对电子在TiO₂多孔薄膜中传输的解释，电子在传输过程中的原动力来自于电子本身存在的浓度梯度，而TiO₂纳米颗粒本身晶形不完整，存在着缺陷，对电子构成了“陷阱”，它们对电子的传输形成了严重的阻碍。据估算，一个纳米晶粒子有一个陷阱，而一个电子通过纳米晶薄膜传导出去要经过平均10⁶个陷阱。这种慢传输过程增加了电子的复合几率，限制了能量的转化效率。 

一维结构材料，如ZnO纳米棒，晶体内不存在晶界面，大大减少了电子传输过程中所遭遇的陷阱数，因而可有效提高电子的传输速率、减少电荷的界面复合。因此，如果能够在TiO₂多孔薄膜中嵌入ZnO纳米棒，就可以使光生电子从注入点沿单根纳米棒笔直传输到达导电基底，从而大大缩短电子的传输路径，也有利于减少电荷复合。 

文献Integrated Ferroelectrics，2012，127：157-163报道了一种ZnO微米棒与TiO₂纳米颗粒复合 的薄膜，最高可获得2.33％的转换效率。文献Journal of Power Sources，2011，201：408-412报道了一种TiO₂纳米颗粒修饰的ZnO纳米棒薄膜，可获得0.94％的转换效率。以上文献中所报道的各类ZnO/TiO₂复合薄膜制备过程复杂，组装染料敏化太阳能电池后，所获得的光电效率也比较低，不适用于染料敏化太阳能电池的商业化生产。 

本发明通过后嵌入法制备ZnO纳米棒/TiO₂纳米颗粒复合薄膜，制备工艺简单、制备条件温和、成本低、所需设备简单、生产安全性强，易于实现工业化生产。所制备的ZnO纳米棒/TiO₂纳米颗粒复合薄膜，既可以保留TiO₂多孔薄膜材料比表面积大和电子注入效率高的优点，又可以弥补TiO₂三维网状结构电子扩散传输速率慢的缺点。根据本发明制备的ZnO纳米棒/TiO₂纳米颗粒复合薄膜，在组装染料敏化太阳能电池之后，获得了6.52％的光电转换效率，与基于单一TiO₂纳米颗粒薄膜的染料敏化太阳能电池相比，光电转换效率提高了6.5％。