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隨著傳統(tǒng)不可再生能源的日趨枯竭和工業(yè)化社會的不斷發(fā)展，新型能源受到了越來越多的研究關(guān)注。太陽能作為一種清潔可再生能源，取之不盡，用之不竭，合里地開發(fā)利用太陽能成為當前國內(nèi)外研究者們的研究熱點。發(fā)展新型太陽能電池材料與高性能器件是大規(guī)模發(fā)展太陽能電池的關(guān)鍵，也是這一領(lǐng)域研究的重點和難點之一。太陽能電池主要分為染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)與量子點敏化太陽能電池 (quantum-dot sensitized solar cells，QDSSCs)兩種。DSSCs 主要由敏化的光陽極、對電極和電解液三部分組成。在 DSSCs中，常用的光吸收劑主要是有機染料，如以金屬釕(Ru)為配位的有機染料 N719[二(四丁基銨)-雙(異硫氰基)雙 (2,2'- 聯(lián)吡啶 -4,4'- 二羧基)釕(II)]、N3[雙(異硫氰基)雙(2,2'- 聯(lián)吡啶基 -4,4'- 二羧基)釕(II)]，以及葉綠素中的主要成分卟咻等。通過將染料吸附于光陽極材料上，可以增強電池對光子的捕獲能力。QDSSCs 是將 DSSCs 中的有機染料取代為具有一定光吸收能力的無機量子點材料，并采用多硫電解質(zhì)體系和金屬硫化物對電極組裝而成的一類太陽能電池。作為敏化太陽能電池的重要組成部分，光陽極的性能決定了電池的效率。

納米TiO2是目前性能最為優(yōu)良的 DSSCs 光陽極材料。復(fù)合結(jié)構(gòu)的引入能有效增加陽極膜的表面面積，且由于其多級的光散射作用，有利于提高光的收集效率;同時，薄膜中引入復(fù)合結(jié)構(gòu)，為電子提供了快速、方便的傳輸通道，從而能夠有效改善電池的性能。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)TiO2光陽極的制備是非常重要的研究發(fā)展方向。Du等使用表面活性劑 P123 和聚苯烯球雙模板技術(shù)，合成了多級有序的大孔/介孔 TiO2薄膜，并將其與 P25 多孔薄膜復(fù)合，形成雙層結(jié)構(gòu)的 DSSCs光陽極。大孔/介孔 TiO2薄膜層的引入，有效地提高了光陽極對太陽光的散射以及捕獲能力，從而提高了 DSSCs 的光電轉(zhuǎn)化效率，與使用單一 P25 光陽極的 DSSCs相比，雙層TiO2 結(jié)構(gòu)的 DSSCs 所產(chǎn)生的短路光電流密度從 7.49 mA/cm3上升到了10.65 mA/cm3，開路電壓從0.65V 提高到了0.70V。在太陽光強度為 AM1.5(AM：air-mass，指光線通過大氣的實際距離比上大氣的垂直厚度)時所測得的光電轉(zhuǎn)化效率表明，雙層TiO2結(jié)構(gòu)的 DSSCs 的光電轉(zhuǎn)化效率為 5.55%，比單層P25 結(jié)構(gòu)的DSSCs 的光電轉(zhuǎn)化效率提升了 83%。Zhu 等合成了氧化鈦納米棒- 納米顆粒復(fù)合介孔結(jié)構(gòu)，作為染料敏化太陽電池的光陽極，這種結(jié)構(gòu)材料的光伏轉(zhuǎn)換效率達到2.51%，在 TiCl4表面處理后其轉(zhuǎn)換效率進一步提高到 3.25%，遠高于純氧化鈦納米棒的 1.11%。Park 等通過溶膠-凝膠支連法制備了 TiO2微球多級孔電極，與普通的 TiO2納米晶薄膜電極 (2.4%)相比，轉(zhuǎn)化效率大幅提高至 3.3%。Cho 等采用膠體顆粒作為介孔模板及平板印刷形成大孔的雙模板方法，制備了大孔 - 介孔電極，其光電性能為 5.0%。Hwang 等采用靜電噴霧技術(shù)合成了多級介孔 TiO2微球電極(圖13-7)，電極的轉(zhuǎn)換效率超過 10%。為了更好地提高多級孔TiO2光陽極的光電轉(zhuǎn)換效率，Yu 等采用自組裝的方法制備了多級“大孔- 介孔”TiO2薄膜，其光電轉(zhuǎn)換效率達到了 6.7%。針對現(xiàn)階段多級結(jié)構(gòu)微米球內(nèi)孔徑調(diào)控和微米球中顆粒尺寸及吸附能力之間的矛盾問題，在微米球制作過程中不需要借助模板劑的條件下，Ding 等簡單地通過控制乙醇、去離子水和氨水的摩爾比，調(diào)節(jié)了TiO2微米球的形貌、球內(nèi)孔徑分布及納米顆粒的結(jié)晶性。更為重要的是，該方法克服了目前為了增加微米球內(nèi)孔徑尺寸，不可避免地要“犧牲”微米球比表面積，進而降低微米球吸附能力的難題，將基于微米球的多孔薄膜比表面積可控在 110 m2/g以上，微米球內(nèi)平均孔徑直徑由 10 nm 提高到16 nm 以上，從而可實現(xiàn)整個微米球內(nèi)染料分子的全吸附和電解質(zhì)的快速擴散。基于這種結(jié)構(gòu)的亞微米球染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率達到了 11.67%。

ZnO 是一種性能優(yōu)異的環(huán)保半導(dǎo)體材料，具有合成原材料來源豐富、制備條件簡單、形貌結(jié)構(gòu)易調(diào)控等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于能源、信息、環(huán)境等領(lǐng)域。在DSSCs/QDSSCs 中，ZnO 通常被用作光陽極材料，負載光吸收劑，同時接收和傳輸電子。利用其結(jié)構(gòu)易控制的優(yōu)點，一系列不同的 ZnO 納米結(jié)構(gòu)，如納米球、納米線、納米片或納米花等被用于敏化太陽能電池的光陽極，極大地提高了敏化太陽能電池的性能。Tian 等通過將 ZnO 種子溶液涂覆在氧化錫銦 (ITO)玻璃上，使得 ZnO 納米棒 (ZnO NRs)可以生長在ITO的表面，然后再將其浸入用于制備ZnO納米片(ZnO NSs)的前驅(qū)體溶液中，使 ZnO NRs 表面被 ZnO NSs 覆蓋，最終得到了沉積 ZnO NRs-NSs 結(jié)構(gòu)的 QDSSCs的光陽極?；旌辖Y(jié)構(gòu)的 ZnO NRs-NSs的比表面積(31.5 m2/g)要明顯大于單一 ZnO NRs 結(jié)構(gòu)的(14.3 m2/g)，說明 ZnONRs-NSs 結(jié)構(gòu)對增加QDs 的沉積量有明顯的促進作用。Zhang 等制備的ZnO聚集體，通過持續(xù)的加熱攪拌，在溶液中直接合成了由直徑 15 nm 的顆粒聚集而成的、直徑為 100~500 nm 的聚集體，由其制得的DSSCs 的光電轉(zhuǎn)換效率可以達到 5.4%。在此基礎(chǔ)之上，Ko等通過單一的納米線結(jié)構(gòu)制備出復(fù)雜的納米樹形(nanotree)結(jié)構(gòu)，由此制得多級納米森林 (nanoforest)形貌的光陽極膜(圖13-8)，很好地彌補了納米線比表面積低的不足。同時，使得光陽極電子復(fù)合機會進一步減小，所制備的基于 ZnO 納米森林結(jié)構(gòu)的電池光電效率達到了普通納米線結(jié)構(gòu)電池的 5 倍以上。除了使用化學(xué)合成方法制備具有較大比表面積的 ZnO 多級復(fù)合結(jié)構(gòu)，Xie 等采用電沉積的方式直接在ITO 玻璃上制備出了 ZnO納米材料，并且通過調(diào)節(jié)制備合成原料 ZnCl2的濃度，控制了 ZnO 材料的結(jié)構(gòu)。當 ZnCl2溶液增加至一定濃度后，ZnO 從納米棒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米片結(jié)構(gòu)，并進一步形成 3D的NS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成功提高了 DSSCs 的效率(NR 結(jié)構(gòu)的 PCE = 1.15%，3D 結(jié)構(gòu)的 PCE =1.59%)，其電池性能的提高主要歸功于片狀結(jié)構(gòu)對比表面積的增加作用。在電池效率的提高方面，Kilic 等通過水熱法制備的 ZnO 納米花 (nanoflowers，NF)結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)優(yōu)異，DSSCs 的效率達到了 5.119%。ZnO NF 結(jié)構(gòu)規(guī)整，每一個NF 顆粒都擁有眾多的枝杈，這些枝杈一方面極大地增加了比表面積，另一方面也是電子傳遞的通道，與相同實驗條件下制得的 ZnO 納米線光陽極電池(PCE = 2.222%)相比，其性能更為優(yōu)異。

此外，Jiang 等設(shè)計制備出了由 ITO 納米線芯層與 Cu2S 納米晶殼層組裝而成的ITO@Cu2S 納米線陣列，使用這種具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料制備的QDSSCs 表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)材料的優(yōu)異性能。通過優(yōu)選 Cu2S 納米晶殼層的構(gòu)筑方法深入研究其組裝結(jié)構(gòu)中 ITO 納米線芯層與 Cu2S 納米晶層間界面對電池性能的影響，進一步提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。在此基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)化多級組裝設(shè)計，在ITO@Cu2S 納米線陣列結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了二級和三級結(jié)構(gòu)的組裝，進一步使基于這種對電極材料的 QDSSCs 的轉(zhuǎn)換效率提升至 6% 以上。這種新型對電極材料在電池運行時可有效形成隧道結(jié)，通過降低器件的串聯(lián)電阻，提高并聯(lián)電阻以及填充因子，大大提高了電池的轉(zhuǎn)換效率，而且解決了傳統(tǒng)金屬銅/硫化亞銅易脫落、無法穩(wěn)定工作的難題。

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