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染料敏化太阳能电池作为新一代低成本太阳能电池的代表,结构简单且易于制作,巨大的潜力使其备受关注。半导体光阳极作为其中染料分子吸附和电子传输的载体,对其进行综合优化是当前推进染料敏化太阳能电池实用化进程的核心所在。近年来,具有阵列性的一维纳米结构展现出了优异的电子传输能力和光散射性质,被认为是一种理想的光阳极材料。本文围绕一维纳米阵列在染料敏化太阳能电池中的应用,综合探索ZnO纳米线和TiO2纳米管阵列的低温制备和表面改性,研究纳米结构表面空间电荷区和各种结构参数对其光电转换性能的影响规律,实现高效氧化物一维纳米阵列光阳极结构的可控制备。
本文首先利用ZnO的自掺杂效应,通过控制ZnO纳米线的内部掺杂浓度系统考察了表面空间电荷区对其光电化学性能的影响。研究结果表明,高掺杂浓度下空间电荷区内导带的向下弯曲容易导致ZnO纳米线内部自由电子与电解液中受主态发生隧穿复合;而空间电荷区内缺陷态诱发的辐射跃迁则能够加剧注入电子与染料分子间发生的直接复合损失。正是这一系列额外的复合损失过程严重地限制着当前ZnO纳米线阵列在染料敏化太阳能电池中的应用性能。
针对TiO2纳米管阵列在导电玻璃表面的可控制备问题,本文提出了一种TiO2薄膜的低温沉积方法,以ZnO纳米线为模板成功获得了高长径比的TiO2纳米管阵列。对纳米管阵列厚度和管壁参数的研究显示,TiO2纳米管的结构参数显著影响着其光电转换性能。增加TiO2纳米管的阵列厚度有利于提高其染料吸附能力并增强对低能量光子的俘获,而适当的管壁厚度则能够改善纳米管的电子输运性质。在此研究基础上,本文通过综合优化,以20μm厚的TiO2纳米管阵列实现了4.4％的光电转换效率(光照强度为100mW/cm2)。
为了改善TiO2纳米管的染料吸附能力,进一步探索了TiO2纳米管的多级结构衍化,以水热晶化的方式实现了无定形态TiO2纳米管管壁到纳米晶形态的转变,并通过引入“骨架结构”实现了多级TiO2纳米管阵列的制备。研究显示,多级TiO2纳米管粗糙的表面使其染料吸附能力相对于传统TiO2纳米管提高了近50%,在染料敏化太阳能电池中其光电转换效率大幅提升至5.7%。与TiO2纳米晶光阳极的比较分析表明,多级TiO2纳米管中较浅的缺陷态分布是保证其突出的电子收集能力的重要条件,使其在同样染料吸附情况下表现出更优越的光电转换性能。