ZnO复合Bi-Te热电材料光阳极的电输运特性及应用研究

In recent years, researchers found that the temperature rise of Dye-sensitized Solar Cells(DSCs) in the work lead to the decreases of conversion efficiency and life, the primary reason is that the near-infrared light can't be utilized by photoelectric conversion. In order to effectively use the heat generated by the light, to further improve the conversion efficiency of the photovoltaic devices, the main way in this project is to incorporate Bi-Te with ZnO directly, and use the composite as a photoanode, because it's well known that ZnO is a material with high electron mobility and Bi-Te is an alloy with good thermoelectrical performance at Room Temperature. In this project, researchers plan to simulate the interface property of ZnO/Bi-Te and optimize the design of composite structure in theory. Based on the theoretical analysis, composite photoanodes and DSCs with different components, different concentrations, and different structures would be prepared by experimental study. The main emphasis of this project is to study the influence of ZnO microstructure on dye adsorption and electron transport, the electron transport property on the ZnO/Bi-Te interface, and obtain optimal ZnO/Bi-Te composite photoanodes and efficient composite DSCs. So the project has an important scientific value for the efficiency improvement of ZnO DSCs and the decrease of structure complexity of hybrid energy collector, it has broad application prospects in new energy utilization.

近年来，研究人员发现染料敏化太阳能电池(DSCs)工作中的温升造成了电池效率和寿命的降低，而造成温升的主要原因是太阳光谱中的近红外光不能被光伏转换所利用。为此，本项目将具有高电子迁移率的ZnO与具有优良室温热电性能的Bi-Te合金直接复合制备光阳极，以有效利用光产生的热，进一步提高DSCs的效率。本项目从理论上模拟ZnO/Bi-Te的界面特性，优化设计ZnO 与Bi-Te的复合结构，并在此基础上有针对性的进行实验研究，制备出不同成分、不同浓度、不同结构的复合光阳极和复合DSCs；重点研究ZnO的微观结构对染料吸附率和电输运特性的影响，ZnO/Bi-Te界面电子输运特性，以获得优化的ZnO/Bi-Te复合光阳极和高效的复合DSCs。因此，本项目在提高ZnO基DSCs效率, 降低混合集能器结构复杂性方面具有重要的科学研究价值，在新能源利用领域具有广阔的应用前景。

近年来，研究人员发现：在染料敏化太阳能电池(DSSC)中，随着工作时间的增加，器件的温度明显上升，这导致了电池效率和寿命的降低。其主要原因是电池中常用的N719等染料不能吸收和利用太阳光谱中的近红外光进行光电转换。ZnO电子迁移率高，是一种优良的光阳极材料，但目前ZnO基DSSC效率普遍偏低。为此，本项目将具有优良室温热电性能的Bi2Te3与ZnO直接复合制备光阳极，以有效利用光产生的热，进一步提高电池效率。理论上，本项目计算了1维和2维纳米Bi2Te3的电子结构，发现这两种Bi2Te3的纳米结构内部存在电荷重构，呈现较强的极化现象，有利于电子的输运。实验上，首先研究了ZnO纳米棒形貌调控及ZnO纳米粒/ZnO纳米棒复合对电池转换效率的影响，在此基础上，有针对性的进行实验，合成了1维Bi2Te3纳米管和2维Bi2Te3纳米片，制备出了ZnO纳米粒/Bi2Te3纳米管，ZnO纳米粒/Bi2Te3纳米片复合光阳极及复合DSSC。系统研究了不同形貌纳米Bi2Te3及复合含量对染料吸附量、电输运和光电转换性能的影响，发现：Bi2Te3纳米管和Bi2Te3纳米片的加入会导致光阳极中出现一些孔洞，染料吸附量随着复合含量的增加而降低；1维Bi2Te3纳米管能为电子传输提供直接通道，延长电子寿命，抑制复合，提高电子传输效率，2维Bi2Te3纳米片能提高电子采集效率，Bi2Te3能利用热电效应提高阳极中电子浓度。漫反射谱测试表明：2维Bi2Te3纳米片的复合还有利于增强阳极的光捕获率。因此，适当的Bi2Te3复合含量能显著提高ZnO电池的效率，其中，含1.5wt.% Bi2Te3纳米管的电池效率最高，达到4.27%，比纯ZnO的高出44.3%。本项目获得的结果为制备光电热电复合光阳极提供了基础数据，在提高ZnO基DSSC效率方面具有重要的科学价值。. 3年来，项目组正式发表期刊论文10篇，均被SCI检索。培养硕士研究生2名。圆满完成了项目的任务。