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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(huì)的不斷發(fā)展，新型能源受到了越來(lái)越多的研究關(guān)注。太陽(yáng)能作為一種清潔可再生能源，取之不盡，用之不竭，合里地開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究者們的研究熱點(diǎn)。發(fā)展新型太陽(yáng)能電池材料與高性能器件是大規(guī)模發(fā)展太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵，也是這一領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。太陽(yáng)能電池主要分為染料敏化太陽(yáng)能電池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)與量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池 (quantum-dot sensitized solar cells，QDSSCs)兩種。DSSCs 主要由敏化的光陽(yáng)極、對(duì)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(jī)染料，如以金屬釕(Ru)為配位的有機(jī)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(guò)將染料吸附于光陽(yáng)極材料上，可以增強(qiáng)電池對(duì)光子的捕獲能力。QDSSCs 是將 DSSCs 中的有機(jī)染料取代為具有一定光吸收能力的無(wú)機(jī)量子點(diǎn)材料，并采用多硫電解質(zhì)體系和金屬硫化物對(duì)電極組裝而成的一類太陽(yáng)能電池。作為敏化太陽(yáng)能電池的重要組成部分，光陽(yáng)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(yáng)極材料。復(fù)合結(jié)構(gòu)的引入能有效增加陽(yáng)極膜的表面面積，且由于其多級(jí)的光散射作用，有利于提高光的收集效率;同時(shí)，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(yáng)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(jí)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(yáng)極。大孔/介孔 TiO2薄膜層的引入，有效地提高了光陽(yáng)極對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(kāi)路電壓從0.65V 提高到了0.70V。在太陽(yáng)光強(qiáng)度為 AM1.5(AM：air-mass，指光線通過(guò)大氣的實(shí)際距離比上大氣的垂直厚度)時(shí)所測(cè)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(yáng)電池的光陽(yáng)極，這種結(jié)構(gòu)材料的光伏轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.51%，在 TiCl4表面處理后其轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高到 3.25%，遠(yuǎn)高于純氧化鈦納米棒的 1.11%。Park 等通過(guò)溶膠-凝膠支連法制備了 TiO2微球多級(jí)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(jí)介孔 TiO2微球電極(圖13-7)，電極的轉(zhuǎn)換效率超過(guò) 10%。為了更好地提高多級(jí)孔TiO2光陽(yáng)極的光電轉(zhuǎn)換效率，Yu 等采用自組裝的方法制備了多級(jí)“大孔- 介孔”TiO2薄膜，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 6.7%。針對(duì)現(xiàn)階段多級(jí)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(wèn)題，在微米球制作過(guò)程中不需要借助模板劑的條件下，Ding 等簡(jiǎn)單地通過(guò)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(jìn)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(shí)現(xiàn)整個(gè)微米球內(nèi)染料分子的全吸附和電解質(zhì)的快速擴(kuò)散。基于這種結(jié)構(gòu)的亞微米球染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(lái)源豐富、制備條件簡(jiǎn)單、形貌結(jié)構(gòu)易調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，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(yáng)極材料，負(fù)載光吸收劑，同時(shí)接收和傳輸電子。利用其結(jié)構(gòu)易控制的優(yōu)點(diǎn)，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(yáng)能電池的光陽(yáng)極，極大地提高了敏化太陽(yáng)能電池的性能。Tian 等通過(guò)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(zhǎng)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(yáng)極。混合結(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(shuō)明 ZnONRs-NSs 結(jié)構(gòu)對(duì)增加QDs 的沉積量有明顯的促進(jìn)作用。Zhang 等制備的ZnO聚集體，通過(guò)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(dá)到 5.4%。在此基礎(chǔ)之上，Ko等通過(guò)單一的納米線結(jié)構(gòu)制備出復(fù)雜的納米樹(shù)形(nanotree)結(jié)構(gòu)，由此制得多級(jí)納米森林 (nanoforest)形貌的光陽(yáng)極膜(圖13-8)，很好地彌補(bǔ)了納米線比表面積低的不足。同時(shí)，使得光陽(yáng)極電子復(fù)合機(jī)會(huì)進(jìn)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(dá)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(jí)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(guò)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(dāng) 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(jìn)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?dú)w功于片狀結(jié)構(gòu)對(duì)比表面積的增加作用。在電池效率的提高方面，Kilic 等通過(guò)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(dá)到了 5.119%。ZnO NF 結(jié)構(gòu)規(guī)整，每一個(gè)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(shí)驗(yàn)條件下制得的 ZnO 納米線光陽(yáng)極電池(PCE = 2.222%)相比，其性能更為優(yōu)異。

此外，Jiang 等設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)電池性能的影響，進(jìn)一步提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化多級(jí)組裝設(shè)計(jì)，在ITO@Cu2S 納米線陣列結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)的組裝，進(jìn)一步使基于這種對(duì)電極材料的 QDSSCs 的轉(zhuǎn)換效率提升至 6% 以上。這種新型對(duì)電極材料在電池運(yùn)行時(shí)可有效形成隧道結(jié)，通過(guò)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(wú)法穩(wěn)定工作的難題。

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