zno微纳结构制备及其在太阳能电池中的应用研究(附件)
在迫在眉睫的能源危机和环境污染等问题下，开发新能源，需要有一种既能可再生，又对环境没有污染的新能源。ZnO纳米结构为宽禁带半导体，其制备方法简单，在太阳能电池中得到了广泛的应用。本论文通过简单的水热法制备具有不同结构的ZnO（棒结构、球结构、空心球结构），然后通过溅射法制备了Pt对电极。通过场发射扫描电子显微镜（SEM）以及X射线衍射（XRD）对样品形貌、物相进行分析。通过光电性能的实验结果，可知氧化锌纳米结构的不同对Voc基本没有变化，但是光电转换的效率与氧化锌纳米结构的不同也随之不同。关键词 ZnO微纳结构制备，水热法，铂对电极，DSSC
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 氧化锌晶体结构及其纳米结构的应用 1
1.3 光催化技术的发展及机理 2
1.3.1 光催化技术的发展历程 2
1.3.2 光催化机理 3
1.4 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理 3
1.5 氧化锌纳米结构的主要制备方法 5
1.5.1 水热法 6
1.5.2 溶胶一凝胶法 6
1.5.3 模板法 7
1.5.4 气相沉积 7
1.5.5 磁控溅射法 8
1.6 仪器应用原理 8
1.6.1 X射线衍射法(XRD) 8
1.6.2 场发射环境扫描电子显微镜 9
1.7 本论文的研究与意义 9
2 水热法制备氧化锌纳米结构 11
2.1 实验原料 11
2.2 棒结构 11
2.3 球结构 12
2.4 空心球结构 12
2.5 氧化锌光阳极的制备工艺流程 13
2.6 电池的组装 14
2.7 实验结果与讨论 15
结论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 绪论
1. 1 研究背景
人类未来的生存和发展都是离不开能源的，虽然地球上的能源种类繁多，但是地球上的资 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
源是有限的，总有一天会耗尽，更何况因为人类社会的快速发展，每一年耗损的能源越来越多。特别是化石燃料，都是死去的有机物和植物在地下分解而形成的，是不可多得的再生资源，而且因为化石燃料带来的污染也是很大了，导致全球气候变化、温室效应、沙城暴、飓风、污染河流等等，还会改变原有的生态环境。在这样的背景下，能源危机与环境污染等问题下，开发新能源既能无污染，又不会减少的能源迫在眉睫。
新能源是指相对传统的开采能源以外的一些能源，比如太阳能、风能、地热能、核能等等一系列非传统的能源。其中核能虽然是其中一种，但其危险性极大，曾经苏联、日本都因为核能出过事故以后，人类对于安全恐慌、担忧的上升，有些国家已经进入无核化，所以德国在2011年的时候就关掉了7座核电站。另外，核能虽然没有产生温室效应的气体，之外核能源的技术要求极高，何况核能源里的原材料铀在地球上存储的量同样是有限的，所以使得核能的使用受到很大的阻碍。
对于其中太阳能、风能、水能等等又被称为可再生能源，其中太阳能是没有任何约束的一种能源且绿色、易获取、危险很小很小等等一系列优点，让太阳能成为现在社会中最受欢迎的新能源。
人类对太阳能的利用，大部分是光与电的转换上，这其中光电之间的转换自然而然的成为了研究的热点，各式各样的太阳能电池而产生出来，其中就有薄膜太阳能电池、杂化太阳能电池、染料敏化太阳能电池等等一系列的电池应用。在这其中氧化锌的制备相对简单、环保、经济、形貌多样化、电子迁移率高等等的一系列优点成为了研究太阳能电池中的一种重要的材料。近几年来，通过各种各样的制备方法如水热法、气相沉积法、溶胶凝胶法、溅射法、电沉积法等一系列手段制备出了纳米线、纳米棒、纳米管等多种多样的氧化锌材料。
1. 2 氧化锌晶体结构及其纳米结构的应用
ZnO它的相对分子量为81.37，其密度是5.67g/cm3，没有任何味道、无毒无害、对坏境也没有任何污染。氧化锌晶体它有三种结构：常见的六边纤锌矿结构和立方闪锌矿结构，还有一种比较罕见的氯化钠式八面体结构。其中纤锌矿结构是这三种结构中最稳定的一种结构，所以这纤锌矿结构最为常见。
六边纤锌矿结构的点群为6mm，空间群是p63mc。晶格常数，a=0.325纳米，c=0.521纳米。ZnO作为一种宽禁带直接间隙半导体材料，宽带隙能量(3.37eV)及较大的自由激子束缚能(60meV)[12]，并且氧化锌是可以在室温下或者更高的温度下来实现受激发射的；氧化锌还具有更强的热稳定性，在大气中不容易受氧化；氧化锌的原料便宜，容易刻蚀；而且ZnO在1900多度才会熔掉。正因为氧化锌具有这些很优异的特性，使其在变阻器[3]，太阳能电池[4]，传感器[5]，纳米材料[6]等这些方面具有很广泛的应用价值。
氧化锌纳米合成的成本相对较低，并且氧化锌在大自然中相对含量较多，表面存在着许多许多来自氧空位的缺陷，产生离子的能力会更强而且反应的速率会更快，所以氧化锌很有希望取而代之二氧化钛成为更好的光催化材料之一。氧化锌纳米结构具有多样性，比如纳米粒子，多级结构，多孔膜，纳米片，纳米线等等（如图1.1）。
纳米氧化锌在很多应用领域是很广泛的，很多特性都要比普通一般的传统材料更为优质；例如氧化锌发光二极管从根本上降低了现在应用的普通照明的成本、纳米氧化锌在催化剂和光催化中的许多应用、纳米氧化锌在防晒化妆品中的许多应用、纳米氧化锌在纺织中的许多应用、纳米氧化锌在油漆中的许多应用、纳米氧化锌在电化学中的许多应用等等，这些都是纳米氧化锌的优点。
图 1. 1 氧化锌纳米结构图[7]
1. 3 光催化技术的发展及机理
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 氧化锌晶体结构及其纳米结构的应用 1
1.3 光催化技术的发展及机理 2
1.3.1 光催化技术的发展历程 2
1.3.2 光催化机理 3
1.4 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理 3
1.5 氧化锌纳米结构的主要制备方法 5
1.5.1 水热法 6
1.5.2 溶胶一凝胶法 6
1.5.3 模板法 7
1.5.4 气相沉积 7
1.5.5 磁控溅射法 8
1.6 仪器应用原理 8
1.6.1 X射线衍射法(XRD) 8
1.6.2 场发射环境扫描电子显微镜 9
1.7 本论文的研究与意义 9
2 水热法制备氧化锌纳米结构 11
2.1 实验原料 11
2.2 棒结构 11
2.3 球结构 12
2.4 空心球结构 12
2.5 氧化锌光阳极的制备工艺流程 13
2.6 电池的组装 14
2.7 实验结果与讨论 15
结论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 绪论
1. 1 研究背景
人类未来的生存和发展都是离不开能源的，虽然地球上的能源种类繁多，但是地球上的资 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
源是有限的，总有一天会耗尽，更何况因为人类社会的快速发展，每一年耗损的能源越来越多。特别是化石燃料，都是死去的有机物和植物在地下分解而形成的，是不可多得的再生资源，而且因为化石燃料带来的污染也是很大了，导致全球气候变化、温室效应、沙城暴、飓风、污染河流等等，还会改变原有的生态环境。在这样的背景下，能源危机与环境污染等问题下，开发新能源既能无污染，又不会减少的能源迫在眉睫。
新能源是指相对传统的开采能源以外的一些能源，比如太阳能、风能、地热能、核能等等一系列非传统的能源。其中核能虽然是其中一种，但其危险性极大，曾经苏联、日本都因为核能出过事故以后，人类对于安全恐慌、担忧的上升，有些国家已经进入无核化，所以德国在2011年的时候就关掉了7座核电站。另外，核能虽然没有产生温室效应的气体，之外核能源的技术要求极高，何况核能源里的原材料铀在地球上存储的量同样是有限的，所以使得核能的使用受到很大的阻碍。
对于其中太阳能、风能、水能等等又被称为可再生能源，其中太阳能是没有任何约束的一种能源且绿色、易获取、危险很小很小等等一系列优点，让太阳能成为现在社会中最受欢迎的新能源。
人类对太阳能的利用，大部分是光与电的转换上，这其中光电之间的转换自然而然的成为了研究的热点，各式各样的太阳能电池而产生出来，其中就有薄膜太阳能电池、杂化太阳能电池、染料敏化太阳能电池等等一系列的电池应用。在这其中氧化锌的制备相对简单、环保、经济、形貌多样化、电子迁移率高等等的一系列优点成为了研究太阳能电池中的一种重要的材料。近几年来，通过各种各样的制备方法如水热法、气相沉积法、溶胶凝胶法、溅射法、电沉积法等一系列手段制备出了纳米线、纳米棒、纳米管等多种多样的氧化锌材料。
1. 2 氧化锌晶体结构及其纳米结构的应用
ZnO它的相对分子量为81.37，其密度是5.67g/cm3，没有任何味道、无毒无害、对坏境也没有任何污染。氧化锌晶体它有三种结构：常见的六边纤锌矿结构和立方闪锌矿结构，还有一种比较罕见的氯化钠式八面体结构。其中纤锌矿结构是这三种结构中最稳定的一种结构，所以这纤锌矿结构最为常见。
六边纤锌矿结构的点群为6mm，空间群是p63mc。晶格常数，a=0.325纳米，c=0.521纳米。ZnO作为一种宽禁带直接间隙半导体材料，宽带隙能量(3.37eV)及较大的自由激子束缚能(60meV)[12]，并且氧化锌是可以在室温下或者更高的温度下来实现受激发射的；氧化锌还具有更强的热稳定性，在大气中不容易受氧化；氧化锌的原料便宜，容易刻蚀；而且ZnO在1900多度才会熔掉。正因为氧化锌具有这些很优异的特性，使其在变阻器[3]，太阳能电池[4]，传感器[5]，纳米材料[6]等这些方面具有很广泛的应用价值。
氧化锌纳米合成的成本相对较低，并且氧化锌在大自然中相对含量较多，表面存在着许多许多来自氧空位的缺陷，产生离子的能力会更强而且反应的速率会更快，所以氧化锌很有希望取而代之二氧化钛成为更好的光催化材料之一。氧化锌纳米结构具有多样性，比如纳米粒子，多级结构，多孔膜，纳米片，纳米线等等（如图1.1）。
纳米氧化锌在很多应用领域是很广泛的，很多特性都要比普通一般的传统材料更为优质；例如氧化锌发光二极管从根本上降低了现在应用的普通照明的成本、纳米氧化锌在催化剂和光催化中的许多应用、纳米氧化锌在防晒化妆品中的许多应用、纳米氧化锌在纺织中的许多应用、纳米氧化锌在油漆中的许多应用、纳米氧化锌在电化学中的许多应用等等，这些都是纳米氧化锌的优点。
图 1. 1 氧化锌纳米结构图[7]
1. 3 光催化技术的发展及机理
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