ZnO基在染料敏化太陽能電池的應用及其表面改性

黃予涵

摘要：本文簡要的介紹了ZnO基在燃料敏化太陽能電池中的應用，從ZnO的研究進展、結構性質、光催化機理、優點及應用等方面展開了介紹。

關鍵詞：染料敏化太陽能電池；ZnO

染料敏化太陽能電池由于生產工藝簡單，經濟節約，對環境要求較低，能量轉化效率高等優點，備受大眾喜愛。它主要由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底幾部分組成，ZnO由于其各種優秀特性成為光陽極的主要材料之一。另一方面，石墨烯作為一種零帶隙導電材料，具有極高的載流子遷移率、特殊的運輸特性和電化學穩定性；將其引入染敏光陽極，可以縮短電子傳輸路徑，來提高光電轉化效率。

1.1 ZnO的結構性質

ZnO成本低，無污染，傳輸電子能力強，且具有易結晶性和各向異性生長的特點，所以可控性強，可通過改變實驗條件來獲得ZnO不同特性的納米結構，但缺點是穩定性差。

1.2 ZnO光催化劑的催化機理

氧化鋅的能帶寬度與氧化鐵相近，且電子傳輸效率高，生長條件易于實現，將其運用于染料敏化太陽能電池中，雖然氧化鈦因其表面存在大量的表面態，延遲了電子的傳輸，造成電子復合幾率增大，電子損失多，但是以氧化鋅為光陽極材料組裝成的的能量轉換效率仍然沒能超過氧化鈦，究其原因主要是氧化鋅易與酸堿反應，在酸性染料的腐燭下穩定性差，因此我們可以通過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構以保護氧化鋅不被腐燭，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，促進光的吸收等方法改善氧化鋅在染料敏化太陽能電池中的性能[1]。

1.3 ZnO在其他方面的應用及其優點

氧化鋅的用途十分廣泛，主要用于橡膠、油漆、涂料、印染、玻璃、醫藥、化工和陶瓷等工業。納米氧化鋅因其全新的納米特性體現出許多新的物理化學性能。納米氧化鋅除了作為微米級或亞微米級氧化鋅的替代產品外，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、導電材料、壓電材料、橡膠添加劑等新的應用場合也正在或即將投入應用。ZnO納米薄膜的導電性跟光生電子的濃度，和光生電子的傳輸率都有很大關系，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構的。如果氧化鋅薄膜中晶粒的尺寸較小，晶粒表面雜質缺陷很少，并且晶粒的取向性好，分散性好，結晶度高，組織致密化程度高，那么光生電子在傳輸過程中就不容易散射，電子傳輸率就高，薄膜的導電性也就越好[2]。

1.4 ZnO的表面改性

在這些應用過程中，大多是與有機物相混的，而氧化鋅作為無機物直接添加到有機物中有相當大的困難：

① 顆粒表面能高，處于熱力學非穩定狀態，極易聚集成團，從而影響了納米顆粒的實際應用效果；

② 氧化鋅表面親水疏油，呈強極性，在有機介質中難于均勻分散，與基料之間沒有結合力，易造成界面缺陷，導致材料性能下降。所以，必須對納米氧化鋅進行表面改性，以消除表面高能勢，調節疏水性，改善與有機基料之間的潤濕性和結合力，從而最大限度地提高材料性能和填充量，降低原料成本[3]。

本文主要是對改性過程中的主要條件變化進行了試驗研究，就改性前后的粉體進行了必要的表征與分析。并將改性后的納米氧化鋅均勻地摻入了聚氨酯中，實現了與有機聚合物的良好混合 在新開發的納米氧化鋅應用中，大多是將氧化鋅直接混入有機物中，而把氧化鋅直接添加到有機物中有相當大的困難，因此必須對納米氧化鋅進行表面改性。以自制納米氧化鋅為原料，采用四氯化鈦為改性劑對其進行了表面改性處理。

由表3.5 ZnO表面改性可知，通過TiCl4表面處理的氧化鋅，制成染料敏化太陽能的電池性能，光電轉化效率有明顯提高，其中摻雜0.005%石墨烯的光電轉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，經過TiCl4表面處理的氧化鋅和摻雜石墨烯，發現摻雜0.005%石墨烯的光電轉化效率比純氧化鋅高2.03%。

參考文獻：

[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展[J].化學教育，2014，8：89-97.endprint