基于ZnO透明导电纳米线阵列电极DSC的构性匹配及电子传输机理研究

染料敏化太阳电池(DSC)以性价比优势成为硅太阳电池强有力的竞争者，提高光电转换效率仍然是目前国内外学者关注的焦点，但缺乏对DSC透明电极的研究。本项目提出以ZnO透明导电纳米线阵列作为DSC透明电极与光阳极的中间层，增大光阳极半导体纳米颗粒与透明电极接触面积，从而加快电子传输至导电基底，保持纳米颗粒高比表面积的优点，纳米线阵列绒面结构又起到陷光作用。为此，研究ZnO透明导电纳米线阵列的电沉积法掺杂生长机理及生长行为，实现其结构与性能可控的大面积生长；组装新型结构DSC器件，研究ZnO透明导电纳米线阵列作为电极的几何匹配性、光学性质、表面修饰和导电性对DSC输出特性影响的规律，阐明结构与性能匹配机关机制；采用强度调制光电流/光电压谱等手段，探索电子传输动力学过程，明晰其电子传输及复合机理。本项目有望进一步提高DSC转换效率，为研究与开发高效DSC提供新思路和理论基础。

针对ZnO纳米结构应用于染料敏化太阳电池（DSC）电极的要求，采用电沉积法与水热法两条溶液化学法途径合成有序ZnO纳米结构阵列，并制作DSC器件。开展了以下几方面的研究工作：（1）电沉积法制备一维ZnO纳米结构阵列的生长机理及形貌结构调控；（2）多阳离子体系中电沉积法制备掺杂ZnO纳米结构阵列的生长机理及形貌结构调控；（3）水热法制备复杂ZnO纳米结构阵列的生长机理及形貌结构调控；（4）基于不同形貌ZnO纳米结构阵列DSC的光电性能及电子传输与复合机理。主要有以下两方面的突破：（1）发展了溶液化学法生长一维ZnO纳米结构阵列的理论，为获得理想形貌结构与性能的ZnO纳米结构阵列提供了全新思路。从热力学与动力学角度，引入离子积Qi＞溶度积Ksp和沉淀反应速率ν与晶体长大速率G关系作为判据，解释了一维ZnO纳米结构阵列的生长机理，进而提出实现一维ZnO纳米结构阵列生长必要条件，分析了电沉积工艺因素对ZnO纳米结构阵列形貌结构的影响，为实现对形貌结构与性能精细调控提供依据。提出了多阳离子体系中电沉积生长掺杂ZnO纳米结构阵列的策略，通过比较热力学参数Ksp和动力学参数——离子扩散系数Di之间的关系，作为判断ZnO纳米结构阵列掺杂生长的条件，为选择合理的工艺路径提供了依据。选用锌盐与氨水反应生成Zn(NH3)4E2+和Zn(OH)4E2-作为反应前驱体，在较高温度、压力的水热反应条件下，使它们达到过饱和，分解生成ZnO；选择合适的籽晶层、模板剂、活性剂等调控其形貌结构，合成各种奇特形貌的三维ZnO微纳米结构。（2）测试结果表明，三维微纳米结构ZnO的DSC表现出最高能量转换效率（超过2%），相比于一维纳米结构ZnO的DSC提高3—4倍，这主要是得益于其巨大的表面积、快速电子传输及光散射效应。进一步还揭示了基于ZnO纳米结构DSC的界面电荷分离及电子传输与复合机理，为提高DSC能量转换效率提供指导。