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1、西南科技大学大学生创新基金项目申报书项目名称： ZnO/TiO2 核壳结构在染料敏化太阳能电池中的应用 起止年限： 2016 年 05 月 01 日至 2017 年 04 月 30 日负责学生：赵旭阳 联系电话: 13340907461指导老师： 易早 联系电话: 18780376769申报单位： 西南科技大学理学院 （盖章）填报日期： 2016 年 3 月 27 日项目编号1西南科技大学工程技术中心大学生创新基金项目管理办公室二一六年三月制简 表中文 ZnO/TiO核壳结构在染料敏化太阳能电池中的应用名称 英文 ZnO/TiO Core-shell structure in the appl
2、ication of the dye-sensitised solar cells研究项目 申请金额 2 0 0 0 元 起止年月 2016 年 05 月 至 2017 年 04 月姓 名 赵旭阳 学 号 20134959 专业 应用物理学所在学院 理学院 邮件信箱 学生身份证号码511621199309297890 农业银行 卡号 6228480488034472974姓 名 易 早 职 称学 历博 士 主 要 研 究方 向纳 米 材 料 结 构 与 应 用申请者导师所在学院 理 学 院 邮件信箱 姓名 学号 专业 所在院系 联系方式 签字何思宇 20134954 应用物理学 理学院 13
3、990152235文浩 20134950 应用物理学 理学院 18380592004项目组成员 刘正洋 20134915 应用物理学 理学院 183805919672申请学生简况申请者：赵旭阳，男，理学院应用物理 13 级学生，该生从一年级下学期开始接触学习染料敏化太阳能电池，共申请三次学院实验室基金学习和制作染料敏化电池（题目分别为纳米 TiO在DSSC 中的应用 、 ZnO 纳米棒阵列的制备以及在 DSSC 的应用和锐钙钛矿 DSSC ） 。又多次染料敏化的研究经验。并且参加西南科技大学挑战杯获得二等奖（题目为利用叶绿素将 DSSC进行敏化 ） 。该生通过不断学习后，现在可熟练操作 JGP
4、-560B 型高真空磁控溅射镀膜系统、电化学工作站、水热法制作纳米管等实验设备和方法。熟悉使用 matlab 等专业软件进行数据分析和仿真。1 立论依据一 、 研 究 背 景 和 意 义 ：在 能 源 危 机 日 益 加 深 的 今 天 ， 由 于 化 石 能 源 的 不 可 再 生 ， 已 经 是 各 相 关 学 科一 个 很 重 要 的 方 向 。 自 从 进 入 二 十 一 世 纪 以 来 ， 世 界 的 能 源 需 求 曾 几 何 数 倍 增 长 ，化 石 能 源 的 枯 竭 ， 使 得 现 在 对 太 阳 能 的 开 发 势 在 必 行 。 1991 年 之 前 ， 人 们 对 太
5、阳能 的 利 用 停 留 在 利 用 半 导 体 硅 材 料 太 阳 能 电 池 1上 ， 这 种 太 阳 能 电 池 虽 然 已 经 达 到了 超 过 15%的 转 化 效 率 ， 但 是 它 的 光 电 转 化 机 理 要 求 材 料 达 到 高 纯 度 且 无 晶 体 缺陷 ， 再 加 之 硅 的 生 产 价 格 居 高 ， 这 种 电 池 在 生 产 应 用 上 遇 到 了 阻 力 23。 染 料 敏化 太 阳 能 电 池 （ 简 称 DSSC） 作 为 第 三 代 太 阳 能 电 池 问 世 ， 目 前 实 验 室 已 经 有 超过 12% 高 转 化 效 率 4。 敏 化 太 阳
6、能 电 池 作 为 一 种 新 型 的 光 伏 电 池 ， 因 其 具 有 高 效 率 、丰 富 的 资 源 、 稳 定 的 性 能 、 生 产 过 程 简 单 、 无 毒 、 无 污 染 且 适 合 大 规 模 生 产 等 优 势 ，有 可 能 取 代 硅 基 太 阳 能 电 池 ， 成 为 未 来 太 阳 能 电 池 的 主 导 。 本 项 目 重 点 研 究 了Zn0/TiO合 薄 膜 光 阳 极 的 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 的 制 备 技 术 、 光 伏 性 能 和 电 化 学 性 能 。1.1 DSSC 的 主 要 结 构DSSC 结 构 和 工 作 原 理 如 下 图
7、：3图 1 DSSC 的 结 构 和 工 作 原 理 （ TiO光 阳 极 ）Figure 1 The structure and work principle of DSSCDSSC 结 构 包 括 纳 米 半 导 体 薄 膜 、 透 明 导 电 玻 璃 、 染 料 、 光 敏 化 剂 、 空 穴 传输 介 质 和 对 电 极 。DSSC 的 工 作 原 理 如 图 1： 电 池 中 的 半 导 体 材 料 只 能 吸 收 紫 外 区 域 的 太 阳 光 ，不 能 被 可 见 光 激 发 ， 于 是 在 薄 膜 表 面 覆 盖 上 一 层 染 料 光 敏 剂 来 吸 收 波 长 更 宽 的
8、司 一 见光 ， 当 太 阳 光 照 射 在 染 料 上 ， 染 料 分 子 中 的 电 子 受 激 发 跃 迁 至 激 发 态 ， 由 于 激 发 态 不稳 定 ， 并 且 染 料 与 半 导 体 纳 米 薄 膜 接 触 ， 于 是 电 子 注 入 到 半 导 体 导 带 中 ， 此 时 染 料 分子 自 身 变 为 氧 化 态 。 注 入 到 导 带 中 的 电 子 进 入 导 带 底 ， 最 终 通 过 外 电 路 流 向 对 电 极 ，形 成 光 电 流 。 处 于 氧 化 态 的 染 料 分 子 在 阳 极 被 电 解 质 溶 液 中 的 I-还 原 为 基 态 ， 电解 质 中 的
9、 I3-被 从 阴 极 进 入 的 电 子 还 原 成 I-， 这 样 就 完 成 一 个 光 电 化 学 反 应 循 环 。染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 光 阳 极 制 备 是 光 伏 转 化 效 率 的 重 要 影 响 因 子 ， 目 前 多 数 染 料敏 化 电 池 的 光 阳 极 薄 膜 采 用 单 一 的 宽 禁 带 纳 米 半 导 体 材 料 。 纳 米 半 导 体 薄 膜 的 主要 选 取 材 料 为 多 孔 纳 米 TiO薄 膜 、 锐 钙 钛 矿 TiO、 纳 米 ZnO 薄 膜 等 宽 禁 带 半 导体 5-7。 以 宽 禁 带 半 导 体 作 为 DSSC 的 光
10、阳 极 ， 是 DSSC 光 复 效 应 好 坏 的 关 键 点 之一 。 在 FTO 的 表 面 制 备 一 层 ZnO 晶 种 层 ， 然 后 在 晶 种 层 的 表 面 制 备 一 层 棒 状ZnO 纳 米 结 构 。 ZnO 和 TiO均 为 宽 禁 带 半 导 体 ， 具 有 几 乎 相 同 的 禁 带 宽 度 ， 导 带电 位 8相 差 很 小 ， 且 与 TiO相 比 ， 电 子 在 ZnO 中 的 迁 移 率 更 大 ， 能 够 减 小 电 子 在电 极 中 的 传 输 时 间 。 因 此 ， ZnO 纳 米 结 构 同 样 可 作 为 DSSC 的 光 阳 极 材 料 9-1
11、1。近 几 年 来 ， 基 于 ZnO 的 染 料 敏 化 电 池 的 研 究 已 逐 渐 成 为 热 点 。 随 着 ZnO 纳 米 结构 （ 纳 米 线 、 纳 米 棒 、 纳 米 片 等 等 在 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 中 的 不 断 研 究 应 用 12。4图 2 棒 状 ZnO 纳 米 结 构 作 为 DSSC 的 光 阳 极Figure 2 rod-shaped ZnO nanostructures for DSSC photo-anode设 计 利 用 水 热 熟 化 处 理 ， 可 实 现 纳 米 材 料 结 构 的 形 貌 转 变 和 性 能 优 化 。 实 验
12、中 ，利 用 加 热 获 得 的 碱 性 溶 液 ， ZnO 微 纳 结 构 上 细 小 的 片 状 变 成 了 粗 大 的 多 棱 柱 结 构 。从 而 形 成 可 控 的 纳 米 棒 状 结 构 13-15这 一 方 式 为 优 化 纳 米 材 料 的 性 能 和 进 一 步 拓 宽 其应 用 ， 提 供 了 一 个 具 有 借 鉴 意 义 的 思 路ZnO 作 为 TiO的 替 代 材 料 是 由 于 ZnO 带 隙 3.4eV跟 TiO3.2eV相 似 ，并 且 ZnO 有 着 丰 富 的 生 长 形 貌 和 更 高 的 电 子 流 动 性 16。 但 是 ZnO 化 学 稳 定性 不
13、 高 ， 在 酸 性 或 者 碱 性 环 境 中 都 会 发 生 水 解 ， 并 且 容 易 同 染 料 形 成Zn2+/Dye 复 合 物 ， 阻 碍 电 子 向 TiO导 带 中 的 的 注 入 和 染 料 的 再 生 17。 通 过在 ZnO 表 面 进 行 TiO包 覆 能 够 有 效 提 高 的 ZnO 化 学 稳 定 性 。A.Irannejad22等 人 利 用 常 压 化 学 气 相 沉 积 法 在 ZnO 纳 米 棒 表 面 沉 积 了 TiO壳 层 ， 比 单 纯 的 ZnO 性 能 提 高 了 两 倍 。 K.Prabakar23等 人 利 用 溶 胶 凝 胶 法 在Zn
14、O 纳 米 棒 、 纳 米 花 表 面 包 覆 了 TiO层 ， 制 备 的 ZnO 纳 米 棒 壳 层 光 阳 极 转换 效 率 为 3.1%。 由 于 在 ZnO 表 面 包 覆 了 TiO壳 层 ， 抑 制 了 Zn2+的 溶 解 ，增 加 了 电 子 传 递 ， 提 高 了 电 池 的 性 能 。制 约 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 转 化 效 率 因 素 有 很 多 ， 其 中 最 主 要 的 就 是 染 料敏 化 太 阳 能 电 池 的 光 阳 极 半 导 体 薄 膜 制 作 工 艺 ， 根 据 前 人 的 实 验 总 结 ， 我 们想 到 在 染 料 敏 化 太 阳 能 电
15、 池 半 导 体 薄 膜 中 增 加 一 层 ZnO/TiO核 壳 结 构 ， 有效 的 提 高 ZnO 和 TiO的 化 学 性 能 ， 从 而 增 加 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 的 光 电 转 化效 率 。1.2 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 存 在 的 问 题 与 发 展 前 景 目 前 ， 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 (面 积 0.5cm2)的 光 电 转 换 效 率 已 达 到 11.04 以上 16。 但 是 对 于 大 面 积 、 具 有 实 用 化 意 义 的 光 电 转 化 效 率 一 直 在 5 左 右 (最 高5 9 )19， 面 积 大 于 10
16、0cm2 的 电 池 尚 未 见 报 道 。 比 起 传 统 的 硅 太 阳 能 电 池 的 转 换效 率 仍 有 一 定 的 差 距 ， 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 的 光 电 转 化 效 率 仍 有 待 于 提 高 。 染料 敏 化 太 阳 能 电 池 的 发 展 面 临 的 主 要 挑 战 包 括 以 下 几 个 方 面 ： 高 效 电 极 (光 阳 极 和对 电 极 )的 低 温 制 备 和 柔 性 化 ； 廉 价 、 稳 定 的 全 光 谱 染 料 的 设 计 和 开 发 等 。 根 据 前文 提 到 ， 现 在 染 料 敏 化 提 高 效 率 最 主 要 因 素 是 光 阳 极 的 制 作 ， 只 有 提 高 了 光 阳 极 的 电子 流 动 速 率 ， 才
