zno复合bi2te3热电材料光阳极的制备及其应用

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1、ZnO复合Bi2Te3热电材料光阳极的制备及其应用重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：豆远尧指导教师：吴芳副教授专业：物理学学科门类：理学重庆大学物理学院二O一六年四月万方数据万方数据StudyonPreparationandApplicationofZnO/Bi2Te3ThermoelectricMaterialCompositePhotoanodeAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofScienceByDouYuanyaoSuperv

2、isedbyAssociateProf.WuFangSpecialty：PhysicsCollegeofPhysicsofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril2016万方数据万方数据中文摘要摘要染料敏化太阳能电池(DSSC)作为第三代太阳能电池，其价格低廉、制作工艺简单，在新能源领域具有广阔的应用前景。DSSC中的光阳极对染料吸附量、光捕获、电输运有着重要影响，对器件的光电转换效率是至关重要的。ZnO为II-VI族宽禁带半导体，具有资源丰富、电子迁移率高、合适的带边、易于低温制备、便于调控形貌等优点，被认为是最有希望取代TiO2的光阳极材料。但目前Z

3、nO基DSSC效率普遍偏低，有必要对其进行系统的研究，为其在光伏器件方面的应用建立一定的实验基础。传统的光阳极薄膜为疏松多孔的纳米颗粒结构，其比表面积较大，但电子传输效率低。一维结构的纳米材料虽然比表面积小，但电子扩散系数高，能为电子传输提供直接通道。将纳米颗粒与1维纳米材料复合有利于电输运性能的提升。近年来，研究人员发现染料敏化太阳能电池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。Bi2Te3是室温下最好的热电材料，其热电优值(ZT值)能达到“1”。为此，本文提出将ZnO纳米颗粒与具有优良热电性能的1维Bi2Te3纳米管直接复合制备

4、光阳极，以便有效利用光产生的热，进一步提高DSSC的效率。本文制备了ZnO纳米棒阵列光阳极、ZnO纳米粒/ZnO纳米棒复合光阳极和ZnO纳米粒/Bi2Te3纳米管复合光阳极，并应用于DSSC。利用XRD、SEM、TEM和UV等方法表征光阳极薄膜的成分与形貌结构，采用电流-电压输出特性(J-V)、外量子效率谱(EQE)、电化学阻抗谱(EIS)分别研究了三种光阳极中ZnO晶种层中Ga掺杂浓度、ZnO纳米棒复合含量以及Bi2Te3纳米管复合含量对DSSC的光电转换效率和电输运性能的影响。得到的主要结果如下：①采用Sol-gel法制备了GZO晶种层(Ga掺杂浓度为0-4at.%)，再用水热法在该晶种层

5、上合成了ZnO纳米棒阵列。发现：随着Ga浓度增加，ZnO纳米棒的平均直径和密度逐渐减小，而其长度呈相反的趋势。②制备了基于GZO晶种层的ZnO纳米棒阵列光阳极，应用于DSSC。J-V特性表明，晶种层中掺入Ga后DSSCs的效率得到显著提高。染料吸附量测试、EQE和EIS表明，效率提高归因于染料吸附量、电子传输效率和电子收集效率的提升。③制备了ZnO纳米粒/ZnO纳米棒复合光阳极(ZnO纳米棒含量为0.0-0.2at.%)，应用于DSSC。研究发现，随着纳米棒含量增加，DSSC的效率先升高后降低。复合含量为0.15at.%时获得最高的效率为3.80%，比纯ZnO的高出28.4%。I万方数据重庆大

6、学硕士学位论文EIS结果表明，一维结构的ZnO纳米棒不仅能够为电子传输提供直接通道，还能有效地抑制电荷的复合，从而显著的提高电子传输效率。④采用两步液相法合成了长度和直径分别为1~2μm和50nm，厚度约为15nm的高结晶、斜六面体Bi2Te3纳米管。纳米管的形成机制可归因于Kirkendall效应。⑤制备了ZnO纳米粒/Bi2Te3纳米管复合光阳极(Bi2Te3纳米管含量为0-2.5wt.%)，并应用于DSSC。J-V特性显示出，Bi2Te3纳米管复合能显著提高DSSCs的效率。随着Bi2Te3含量增加，效率先升高后降低。含1.5wt.%Bi2Te3的DSSC效率最高，为4.27%，比纯Zn

7、O的高出44.3%。EIS分析表明，Bi2Te3纳米管能够为电子传输提供直接通道，延长电子寿命，抑制电荷复合，提高电子传输效率。热电效应分析表明，ZnO/Bi2Te3复合光阳极能够同时实现光电和热电转换，提高电子浓度，抑制电池温升、减缓效率降低。这些结果揭示出，将一维热电材料复合到纳米颗粒光阳极中，有利于太阳能的充分利用，是一种提高DSSCs性能的有效方法。关键词：ZnO纳米棒，Bi2Te3纳米管