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1、纳米阵列电极/有机太阳能电池的制备摘要太阳能电池有着广阔的应用前景，而决定太阳能电池应用价值的关键因素是其制备材料对太阳能的转换率。由于氧化锌和聚噻吩特殊的结构和性质，使得它们在太阳能电池的制备上有着极大的应用。本文通过详细论述氧化锌和聚噻吩不同的制备过程，并用扫描电子显微镜对样品形貌进行了表征。分析了不同前驱液浓度和不同PH值对氧化锌纳米棒生长状况的影响以及不同温度对聚噻吩电导率的影响。分析发现前驱液浓度越大，长出的氧化锌纳米棒直径越大；在合适的高PH值环境下，氧化锌纳米棒生长速度明显快于其他样品，且对生长条件要求不高，非常适合用于氧化锌纳米棒大面积制备。而温度越高，聚噻吩的电导率则约低。关
2、键词：太阳能电池，氧化锌，聚噻吩AbstractSolar cells have broad application prospects，and the key factor to the solar cell application value is the conversion rate of its preparation materials. For ZnO and polythiophene special structure and properties,they have great application in the preparation of solar cells.Th
3、is article through the detailed discussion on ZnO and polythiophene different preparation process,and the sample morphology are characterized by scanning electron microscope.Analyzes the effect on ZnO namo-rod growth situation of different precursor liquid concentration and different PH value and th
4、e effect on polythiophene conductivity of different temperature.The results shows that the higher the concentration of precursor liquid,the larger the diameter of ZnO namo-rod;Under a suitable high PH value, ZnO nano-rod will have a fast growth rate even in loose environment,so it is vary suitable f
5、or large-scale preparation of ZnO nano-rod arrays.And the higher the temperature,the lower the conductivity of polythiophene.Key words:Solar cells;ZnO;polythiophene目 录摘 要1Abstract1第一章 前言41 研究目的和意义42 基本原理4 2.1 纳米阵列电极的基本原理4 2.2 太阳能电池的基本原理6第二章 ZnO纳米棒的制备71 溶胶-凝胶法72 电化学沉积法73 喷雾热分解法84 金属有机物化学气相沉积法85 脉冲激光沉
6、积法86 分子束外延法97 水溶液生长法98 化学浴沉积法10第三章 聚噻吩及其ZnO纳米复合材料的制备131 聚噻吩的制备132 复合材料的制备132.1 制备理论13 2.1.1 浸润吸附理论14 2.1.2 化学键理论14 2.1.3 机械联结理论14 2.2 制备方法14 2.2.1 共混法14 2.2.2 插层复合法14 2.2.3 溶胶-凝胶法14第四章 结论16参考文献17致 谢18第一章 前言1. 研究的目的和意义 纳米电极由于具有高传质速率、低iR降、小时间常数等优良特性而得到了越来越广泛的研究和应用。纳米阵列电极的电化学性质不仅和纳米单电极的性质相关，而且还具有自身的一些特
7、性，如可获得较纳米单电极大得多的电流强度，具有较相同几何面积的常规电极高得多的信噪比(SN)等。这些特性使得纳米阵列电极的研究逐渐成为当今太阳能电池研究领域最活跃的前沿之一。 自从1839年贝克勒尔发现液体的光生伏特效应以来，特别是第一片硒太阳能电池发现以来，对于太阳能电池应用的研究一直强烈吸引着人们的注意力。由于太阳能电池无污染的特点，使其在很多应用方面，与常规电池相比具有无与伦比的优越性。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再
8、生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。目前市场上大量太阳能电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都浪费成无用的热能。所以严格地说，现今太阳电池，也是某种型式的“浪费能源”。当然理论上，只要能有效的抑制太阳电池内载子和声子的能量交换，换言之，有效的抑制载子能带内或能带间的能量释放，就能有效的避免太阳电池内无用的热能的产生，大幅地提高太阳电池的效率，甚至达到超高效率的运作。因此，选择适当的制备材料来提高光电转换效率对太阳能电池的发展具有重要的意义。2.基本原理2.1纳米阵
9、列电极的基本原理与常规电极的一维扩散理论不同，纳米电极的电化学理论建立在多维扩散基础之上1。纳米电极由于存在强烈的边缘效应而具有区别于其他电极的两个重要特性，即电流能在短时间内迅速达到稳态，且具有比常规电极大得多的电流密度。由于阵列电极扩散过程的复杂性，不完善，目前其理论研究尚只有对圆盘阵列电极的研究较为成熟，但其结果也具有一定的近似性。对圆柱形阵列电极的理论尚少研究。纳米阵列电极的电化学研究中通常使用的方法是计时电流法和循环伏安法，下面分别对这两种方法中的纳米盘阵列电极的扩散情况进行讨论。2.1.1 计时电流法电活性物质在纳米阵列电极上具体的扩散形式与相邻两单电极的间距d、扩散时间t有关。S
10、charifker2利用电极面积为的单电极上线性扩散和径向扩散的量等效于面积为的电极上线性扩散的量，得到时间t与等效半径的函数关系式： （1）式中，为单电极的半径，为单电极的等效半径，D是电活性物质的扩散系数。进一步定义时问相关量，其中n为阵列电极单位面积上的单电极数，与d值及阵列电极的排布形状有关。如正方形阵列电极，六角形阵列电极。对于随机排布的阵列电极，是相邻单电极间的平均距离。2.1.2 循环伏安法在循环伏安研究中，纳米阵列电极上的扩散形式与电极电位扫描速率有关，在不同的扫描速率下会出现3种极限扩散形式3,4,5,6。当扫描速率非常高时，单电极平面上仅发生线性扩散，它们的扩散场之间自然不
11、会重叠，在这种有效区线性(1inear active)扩散情况下得到的是传统的峰形循环伏安曲线。在稍低一些的扫描速率下，单电极平面上出现径向扩散，若相邻两单电极的间距d较大，单电极的径向扩散场之间不发生重叠，则可以得到纯径向(pureradia1)扩散的S形循环伏安曲线，极限扩散电流()为： (2)式中为单电极的半径，为阵列电极的几何面积，n为阵列电极单位面积上的单电极数。在较低的扫描速率下,单电极的扩散场之间发生重叠，最终形成从本体溶液到阵列电极平面的纯线性扩散场，在这种扩散场完全重叠(total overlap)的情况下得到的也是峰形循环伏安曲线，扩散电流正比于阵列电极的几何面积。 与几何
12、面积相同的常规电极相比，纳米阵列电极具有较低的电分析检测限。检测限较低是由于阵列电极的法拉第电流与充电电流的比值(即信噪比SN)较高，可以有效地将法拉第电流与充电电流在循环伏安曲线上区别开。理论上讲，除了有效区线性扩散形式外，纯径向和完全重叠两种扩散形式均能降低电分析检测限。当纳米阵列电极上发生的是完全重叠扩散形式时，其法拉第电流(if)与几何面积同样为的常规电极相等，常规电极上的充电电流(ic，m）表示为，其中v为电极电位扫描速率，Cd为双电层充电电流。而纳米阵列电极的充电电流()仅与其有效电极面积成正比，即，显然，所以。纳米阵列电极电分析检测限的降低可通过与的比值来定量分析。由以上分析可得
13、，为纳米阵列电极的相对有效电极面积。当纳米阵列电极上发生的是纯径向扩散形式时，单电极遵循纳米电极的特性，法拉第电流密度与单电极半径成反比，而充电电流密度不随单电极半径变化，所以法拉第电流和充电电流的比值随着电极半径的减小而增大，电分析检测限相应降低。2.2 太阳能电池的基本原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。氧化锌(ZnO, zinc oxide)是一种典型的II-VI族化合物半导体材料，具有六方纤锌矿结构(wurzite hexagonal struct
14、ure)。室温下禁带宽度为3.37ev，是典型的直接带隙宽禁带N型半导体，激子束缚能高达60mev。其微观结构下图： 图1 氧化锌晶体结构示意图纳米ZnO是一种多功能性的新型无机材料，其颗粒大小约在1100纳米。由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。纳米材料因是由超微粒组成，且这些微粒边界区的体积大约是材料总体积的50%，因此纳米材料组装有机太阳能电池，其特殊结构可能会使有机太阳能电池的研究产生较大发展。第二章 ZnO纳米棒的制备 ZnO纳米棒的制备方法较多，主要有溶胶凝胶法、电化
15、学沉积法、喷雾热分解法、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PU)、分子束外延法(MBE)、磁控溅射法、模板辅助和水溶液生长法等7,8。1.溶胶凝胶法（Sol-Gel）溶胶凝胶法不需要物理法那样复杂昂贵的设备，工艺简便，设备要求低，适于大面积制备，特别是化学剂量比容易控制，能从分子水平上设计制备材料，在制备氧化物薄膜方面具有其它方法不可比拟的优越性。它是一种高效的边缘制膜技术，对于ZnO薄膜制备，一般以可溶性锌盐为原料，将无机盐溶解在有机溶剂中，然后加入合适的络合剂，经过一定时间后使体系成为稳定的溶胶9。经过涂敷工艺后，在低温下通过凝胶化过程在衬底上成膜，一般薄膜最后要经过热处理工艺达到晶化的目的。Sol-Gel法制膜的一般工艺过程大致分为以下三个阶段：溶胶的制备；薄膜的涂敷；干燥和热处理。Sol-Gel成膜均匀性
