CdS纳米晶敏化ZnO阵列的制备及其性能研究.doc

CdS纳米晶敏化ZnO阵列的制备及其性能研究 摘要：无机纳米半导体材料制备方法简单廉价,且由于其特殊的尺寸效应及其较大的消光系数,成为一种可取代有机染料分子的光敏材料。本论文中,我们分别制备了CdS,敏化ZnO纳米棒阵列薄膜电极,并研究了复合电极的光电化学性能。 关键词 ：ZnO纳米棒阵列 ，染料敏化 ，ZnO致密膜 ，核壳结构 1.引言 染料敏化纳米晶太阳能电池(简称:DSSCs电池)从1991年被提出以来,就一直受到人们的广泛关注。目前,DSSC电池的转换效率己经超过了10%,由于它的高转换效率,近些年引起了科学家们的极大兴趣。然而,DSSC也存在很多难以解决的问题:1.染料性质不稳定,在高温及光照下易分解;2.染料在电解液中易脱落;3.染料价格昂贵,难以制得。基于DSSCs的这些问题,研究人员提出了无机半导体敏化太阳能电池的概念,它与DSSCs太阳能电池的工作原理相同,只是采用无机半导体做吸光材料,避免了染料不稳定，制备复杂等缺点,成为目前太阳能电池的研究热点。 在敏化电池中,采用合适的n型材料对电池的性能起着至关重要的作用。一维ZnO纳米棒阵列由于它良好的光电化学性质常被用于太阳能电池中,ZnO纳米棒阵列为光生电子传递到导电基底提供了一条直接的路径,且其具有较大的表面积,增加太阳光的捕获,从而提高转换效率制备ZnO阵列的方法有很多种,如有机金属化学气相沉积法、热蒸发法、电化学沉积法、溶液沉淀法以及模板生长法等,这些方法所需要的条件都非常严格,甚至还需要选用催化剂来合成纳米棒。相比于这些方法,水热法合成ZnO纳米棒阵列所需要的试剂便宜,所需的温度较低,是一种很好的制备ZnO阵列的办法。 CdS是一种重要II一IV族无机半导体材料。纳米CdS具有独特的光电性能及显著的量子尺寸效应,因而在生物探针、太阳能电池、光催化及其他光电子元器件等方面有着广泛的用途。CdS的带隙为2.4eV,在可见光区具有优良的光学吸收性能,因此被广泛的应用于薄膜太阳能电池及敏化太阳能电池的研究将CdS制成薄膜的方法很多,如物理气相沉积(PVD)、金属有机物气相沉积(MOCVD)、封闭 空间升华一凝华法(Css)、化学水浴法(CBD)、丝网印刷法(SP)、化学气相输运法(CVTG)和电沉积法(ED).其中化学浴应用最广泛的,具有可控性好、均匀性好、成本低等特点。 我们先用水热法制备了取向良好的ZnO纳米棒阵列,然后采用化学浴方法沉积CdS纳米颗粒于ZnO阵列膜上,形成ZnO@CdS核壳结构膜。在三电极体系下测试光电化学性能,比较了ZnO阵列膜、CdS颗粒膜、CdS敏化ZnO纳米阵列膜作为电极时的光电化学性能;同时研究了CdS敏化不同形貌ZnO膜电极的光电性能;通过优化CDS的沉积时间,得到性能最优的ZnO@CdS核壳电极,并分析了影响无机半导体敏化电池性能的因素,为CdS敏化电池的研究奠定了基础。 2实验部分 2.1实验药品和仪器 1.醋酸锌(A:R):国药集团化学试剂有限公司; 2.硝酸锌(A.R.):天津市科密欧化学试剂开发中心; 3.二乙醇胺(A:R)武汉联碱厂; 4.六亚甲基四胺(A.R.):天津是纵横兴工贸有限化工试剂; 5.无水乙醇(A.R.):上海振兴化工厂; 6.浓氨水(A.R.):武汉联碱厂; 7.氯化锡(A.R.):国药集团化学试剂有限公司; 8.氢氧化钾(A:R):国药集团化学试剂有限公司; 9.硝酸铵(A.R.):国药集团化学试剂有限公司; 10.硫酸钠(A.R.):上海统亚化工科技发展有限公司; 11.硫脉(A.R)国药集团化学试剂有限公司; 12.铂片电极和饱和Ag/AgCI电极:上海辰华仪器公司; 13.透明导电玻璃(TCO,普通玻璃表面镀有一层掺F的SnO2导电层,电阻为10?),日本Asahi公司; 14.Potentiosta灯GalvanostatModel263A电化学分析仪:美国Prineeton Researeh institute; 15.BS-2005型电子分析天平:北京赛多利斯天平有限公司; 16.太阳光模拟器:美国oriel公司; 17.KQ2200DB型台式超声波清洗仪:昆山超声仪器有限公司; 18.78HW-1型磁力搅拌器:江苏荣华仪器制造有限公司; 19.KSW-SD-12型马弗炉:武汉市江汉特种电炉厂; 20.SC-1SB数控超级恒温槽:宁波天恒仪器厂; 21.程序升温炉:自行设计 2.2.制备方法 1.ZnO致密膜的制备:将醋酸锌与二乙醇胺以5:6(摩尔比)溶于无水乙醇中,60℃恒温搅拌30min,得到无色透明胶体。 将TCO玻片洗净后,用提拉机在上述胶体中提拉(约24cm/min),室温下晾干,再将其至于马弗炉中,500℃退火30min,冷却至室温,即在导电玻璃上得到一层致密、均匀