氧化锌空心球/二氧化钛花-棒复合材料的制备、表征及光电特性研究

Nanostructured titanium dioxide is often used as a photoanode substrate for quantum dot sensitized solar cells (QDSSCs) due to its superior optical and electrical properties, while nanostructured zinc oxide with similar band gap to titanium dioxide and larger electron mobility is also commonly used as photoanode substrate in QDSSCs. In this project, we propose a novel ZnO hollow spheres/TiO2 flower-rod composites photoanode substrate for QDSSCs to solve the problem of low specific surface area of single ordered structures and a large probability of recombination of electrons and holes of stack nanoparticles in sensitized solar cells. In this composite structure, the underlying TiO2 nanorods can provide direct channels for electron transport to enhance the electron transport efficiency; the upper TiO2 flowers and ZnO hollow spheres increase the specific surface area, which can adsorb more quantum dots, enhancing the light harvesting capability. Moreover, the upper TiO2 flowers and ZnO hollow spheres can also act as a scattering layer to improve the light utilization efficiency and ultimately enhance the photoelectric conversion efficiency of the QDSSCs.

纳米结构的二氧化钛因其具有优越的光学、电学特性常作为光阳极基底应用于量子点敏化太阳能电池（QDSSCs），而纳米结构的氧化锌因其具有与二氧化钛相似的带隙，较大的电子迁移率也常作为光阳极基底应用于QDSSCs。本项目提出一种新颖的ZnO空心球/TiO2花-棒复合材料光阳极基底并应用于QDSSCs，解决单一有序结构应用于敏化太阳能电池中比表面积低及纳米颗粒堆积造成电子与空穴复合几率大的问题。该复合结构中，底层TiO2纳米棒可以为电子的传输提供直接通道，提升电子传输效率；上层TiO2花及ZnO空心球增加比表面积，可以吸附较多量子点，提升对光的捕获能力；此外上层TiO2花及ZnO空心球还可作为散射层，提高光的利用率，并最终提升QDSSCs的光电转换效率。

光阳极作为量子点敏化太阳能电池（QDSSC）的重要组成部分，其微观结构对太阳能电池的光捕获和电荷传输有重要影响。本项目在前期QDSSC研究基础上，设计了多壳层ZnO空心微球（HMS）光阳极，利用ZnO HMS壳层数目的可调节特点改善了光阳极对光敏材料的吸附和对光的散射作用，从而提高了光捕获效率。在Mn-CdxZn1-xSe量子点敏化体系中使QDSSC的光电转换效率从单壳层ZnO HMS的2.63%提高至三壳层ZnO HMS的3.39%。进一步基于三壳层ZnO HMS，结合TiO2纳米树（NT）构建了多壳层ZnO HMS/TiO2 NT光阳极并在染料敏化太阳能电池（DSSC）中研究了ZnO HMS/TiO2 NT光阳极光捕获和电荷传输的增效作用。最终，三壳层ZnO HMS/TiO2 NT光阳极利用三壳层ZnO HMS实现了光敏材料吸附量的扩大和光散射效果增强，从而提高了光捕获效率，同时TiO2 NT促进了电荷传输效率的提升，使DSSC的光电转化效率从TiO2 NT的3.11%和三壳层ZnO HMS的5.27%提高至三壳层ZnO HMS/TiO2 NT的7.40%。通过光谱分析、电极微观形貌、电化学阻抗揭示了光捕获和电荷传输机理，分析了电池开路电压和短路电流密度可得到提高的因素。基于本项目研究，我们建立了高光捕获效率和电荷传输效率的光阳极制备和调控方法，为敏化太阳能电池光电转换效率的提升提供了一条有效思路。在本项目支持下，发表学术论文8篇，6篇被SCI收录，1篇被ISTP、EI收录。