基于锂掺杂氧化锌纳米管的染料敏化太阳能电池研究

ZnO based dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been intensively investigated in the past 15 years due to the high electron mobility and diverse nanostructures of ZnO. Although the current record of the power conversion efficiency has reached 7.14%, further improvement in the efficiency of ZnO based DSSCs encounters serious difficulties, one of which is how to simultaneously enhance the open-circuit voltage and the short-circuit current density of the ZnO based DSSCs. In this project, the electrical, optical and photovoltaic properties will be systematically investigated for DSSCs with Li-doped ZnO nanotubes as the photoanodes. In the hydrothermal growth of the ZnO nanotubes, ZnO nanotubes are doped with Li ions by varying the lithium nitrate concentrations in the precursor solutions. The upshift of the Fermi level and the reduction in the resistivity of the ZnO nanotubes will be characterized as a function of the dopant concentrations, in the meanwhile the simultaneous enhancements in the open-circuit voltage and the short-circuit current density will be examined for the ZnO nanotubes based DSSCs. Investigations will be focused on the dopant concentration dependences of the Fermi level and conductivity of Li-doped ZnO nanotubes, and then on the dopant concentration dependences of the open-circuit voltage and the short-circuit current density for the ZnO nanotubes based DSSCs. This project will provide an effective solution to enhanced efficiecies of ZnO based DSSCs.

因氧化锌的电子迁移率较高及其纳米结构的多样性，以氧化锌为光阳极的染料敏化太阳能电池（简称DSSC）在过去15年里备受关注。虽然氧化锌DSSC的能量转换效率已达到7.14%的纪录，然而，进一步提升其效率则显得困难重重，主要障碍在于如何同时提高氧化锌DSSC的开路电压和短路电流密度。本项目以锂掺杂氧化锌纳米管作为DSSC的光阳极，采用在水热法制备氧化锌纳米管的过程中进行锂掺杂的方法，通过改变氧化锌纳米管的锂掺杂浓度，上移氧化锌纳米管的费米能级以提高氧化锌纳米管DSSC的开路电压，并同时降低氧化锌纳米管的电阻率以提高氧化锌纳米管DSSC的短路电流密度，从而达到提高氧化锌纳米管DSSC效率的目标。本项目将重点研究氧化锌纳米管的费米能级和电导率对锂掺杂浓度的依赖关系，建立氧化锌纳米管DSSC的开路电压和短路电流密度与锂掺杂浓度之间的内在联系，为大幅提升氧化锌DSSC的效率探索一条路。

以氧化锌为光阳极的染料敏化太阳能电池在过去20年里备受关注，如何提高以这种染料敏化太阳能电池的能量转换效率是该领域的一个重要研究课题。本项目以掺锂氧化锌纳米管做为染料敏化太阳能电池的光阳极，着重研究了如何通过改变锂掺杂浓度而上移氧化锌纳米管费米能级以提高氧化锌DSSC的开路电压，并同时降低氧化锌纳米管的电阻率以提高氧化锌DSSC的短路电流密度，从而达到提高氧化锌纳米管DSSC效率的目标。具体研究内容可分为如下的四个方面:(i) 以水热法为基础，优化了各步反应参数，确定了制备氧化锌纳米管的最优方案；(ii) 探索了金属离子能够成功地掺杂氧化锌的物理条件，即掺杂金属离子的半径必须小于或约等于锌离子半径；(iii) 研究了掺锂对氧化锌纳米管的电学特性和光学特性的影响，发现掺锂能有效地增大氧化锌中的电子浓度，降低氧化锌纳米管的电阻率，并能拓宽氧化锌的带隙；(iv) 以掺锂氧化锌纳米管为光阳极制备了染料敏化太阳能电池，观测其能量转化效率可提高到5.3%。本项目的研究结果表明：对氧化锌纳米管进行锂掺杂是提高氧化锌纳米管染料敏化太阳能电池的能量转化效率的一条重要途径。该资助项目发表研究论文22篇，其中SCI2区论文8篇，SCI3区论文8篇，SCI4区论文1篇，Ei收录2篇，中文核心期刊3篇。培养硕士毕业生5名。项目投入经费67万元，支出经费28.8461万元，结余经费38.1539万元。该笔结余经费计划用于该项目的后续研究。