氧化锌纳米线阵列的制备及其在量子点敏化太阳能电池上的应用

本项目以太阳能光伏电池的需求为背景，针对目前氧化锌基太阳能电池转换效率较低且易被腐蚀等缺点，提出低温阳极氧化法制备氧化锌纳米线阵列作为光阳极，通过掺杂提高氧化锌光阳极的抗腐蚀性能，结合半导体量子点复合敏化技术提高光捕获效率，实现太阳能电池性能的改善；研究光阳极结构对电池性能的调控作用。首先在导电基底上沉积锌，通过阳极氧化制备具有较大的粗糙表面的氧化锌纳米线阵列，提高量子点的吸附量；利用入射光在纳米线阵列中形成多次反射，增强光子捕获；通过在阳极氧化过程中引入锡或钛，制备锡或钛掺杂的氧化锌纳米线阵列，从而提高其化学稳定性并且不显著影响其能带结构和电学性能。通过系统地研究氧化锌纳米线阵列太阳能电池的光电转换性能，揭示影响光生电子分离与收集的本质因素，探明光阳极结构与电池效率之间的构效关系，为最终实现高性能的太阳能电池的装配提供依据。

本项目研究锌的阳极氧化工艺，可以快速、大面积制备超长ZnO纳米线阵列，以及以此为基础研究其在太阳能电池方面的应用。纳米线直径在50-200 nm之间，长度超过100微米（2小时）。研究表明纳米线主要有5-10nm的纳米晶组成。我们详细研究了实验参数对反应结果的影响。实验表明，反应温度对纳米线阵列的密度有显著影响。温度越低，纳米线的密度会显著提高，但温度过低纳米线薄膜易开裂。温度过高则得不到纳米线结构。最佳反应温度为5度。工作电压过高容易诱发薄膜开裂，过低则得不到致密ZnO纳米线薄膜，最佳工作电压为10V。抛光处理也可以显著提高纳米线阵列的密度。抛光可以消除Zn表面的不均匀性，增加初始阶段腐蚀坑的密度，进而提高纳米线阵列的密度。对纳米线阵列薄膜的光学吸收研究表明，随着纳米线密度的提高，其光学吸收显著增强，这有利于在DSSCs中的应用。单根纳米线电学性能研究表明，ZnO纳米线具有较好的电学输运性能，这与该体系中电子平均自由程较小有关，晶界散射对电学输运影响较小。阳极氧化的中间产物具有单晶结构，但具体结构尚不清楚，还需进一步研究。推测应当为一种新的碱式碳酸盐。