共轭聚合物/ZnO纳米棒异质结光电池的制备及其界面亚稳平衡吸附态与性能的研究

全球能源需求逐年增加及化石能源逐渐枯竭，清洁、可再生太阳能的开发利用已成为世界关注的热点课题。共轭聚合物/ZnO纳米棒异质结光电池由于既具备ZnO纳米棒载流子迁移率高、化学稳定性好的特点又继承了高分子材料良好的柔韧性和可加工性，能制成特种形状、大面积柔性器件的优点，因而受到极大关注。本项目拟利用一种新型低温水热法合成ZnO纳米棒。但ZnO纳米棒与聚合物共混存在严重的相分离问题，导致光电能量转换效率下降。本项目拟设计既能起分散作用又有导电活性的表面活性剂，对ZnO纳米棒进行表面改性解决该问题；传统吸附理论不能很好解释复合光电池吸附平衡常数随表面活性剂浓度或pH值变化而变化的现象。本项目拟利用现代微观实验技术，应用亚稳平衡吸附态理论解释表面活性剂浓度效应和酸度效应问题。本项目目标：获得一种复合光电池的新型制备工艺；揭示表面活性剂界面吸附微观机理并阐明其界面亚稳平衡吸附态对光电池性能的影响规律。

全球能源需求逐年增加及化石能源逐渐枯竭、环境污染日益严重，大规模开发利用清洁、可再生太阳能迫在眉睫。P3HT/ZnO纳米棒异质结光电池综合了共轭聚合物P3HT良好的成膜性和ZnO纳米棒电子迁移率高、环境稳定性好的特点，成本低廉，因此引起广泛关注。首先项目采用新型低温水热法合成了ZnO纳米棒。完成了两亲性多吡啶钌类Z907染料对ZnO纳米棒表面改性工艺的探索。当ZnO纳米棒质量浓度为0.001-0.008g/mL，Z907浓度为0.3mM,pH值为6.5，敏化时间为12h时敏化效果最优。透射电镜结果表明ZnO纳米棒的平均直径为160nm，单晶，沿着[001]方向生长。Z907染料敏化未改变ZnO纳米棒的形貌；X射线衍射结果表明ZnO纳米棒为六方纤锌矿结构。Z907染料敏化未改变ZnO纳米棒的结构，但抑制了其在(002)面的生长。其次完成了P3HT/Z907-ZnO纳米棒异质结光电池制备工艺的探索。利用紫外可见吸收光谱研究了Z907染料敏化对P3HT/ZnO纳米棒薄膜光吸收性的影响，结果表明P3HT/ZnO纳米棒薄膜较纯ZnO纳米棒薄膜的吸收边从440nm红移至620nm，Z907的敏化进一步扩大其对可见光的吸收，当Z907的浓度为0.3mM，pH=6.5时吸收边红移最大，为740nm；利用透射电镜研究了Z907敏化对P3HT/ZnO纳米棒薄膜形貌的影响，结果表明Z907敏化降低了ZnO纳米棒的表面能，改善了ZnO和P3HT 的相容性和相分离及ZnO在P3HT中的分散性。第三利用红外光谱研究了Z907染料分子与ZnO纳米棒表面的键合方式，结果表明每个Z907染料分子的两个羧酸基团是以单齿键合方式化学吸附在ZnO纳米棒表面，Z907浓度为0.3mM,pH=6.5时单齿键合能力最强。第四，荧光光谱结果表明P3HT与ZnO纳米棒质量比为1:3时，Z907的浓度为0.3mM,pH=11时P3HT/ZnO界面电荷转移效率最高；利用I-V曲线表征P3HT/Z907-ZnO光电池的性能，结果表明当Z907浓度为0.3mM，在AM 1.5 100mW/cm2的光照下，光电转换效率为0.21%。本项目达到了预期的研究目标，为实现混合本体异质结光电池的大规模开发利用，具有重要的理论和现实意义。