基于氧化锌的纳米管染料敏化太阳能电池翻译精选.docVIP

基于氧化锌的纳米管染料敏化太阳能电池 纳米快报 2007 Vol.7，No.8 2183—2187 Alex B. F. Martinson,?,? Jeffrey W. Elam,? Joseph T. Hupp,*,? and Michael J. Pellin? 伊利诺斯州60208，谢里丹路2145号，西北大学，阿贡国家实验室，,和南方卡斯大道9700号 ，阿贡国家实验室，伊利诺斯60439 文章于2007年一月收到， 于2007年五月收到修改后的底稿 文章摘要 我们介绍了被使用在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中以氧化铝膜为模板的高表面积氧化锌纳米管的光阳极。原子沉积层是被用于涂层孔隙共形 ，为了收集超过数十微米厚的电荷而所提供的直接路径的方法。相比起同类以ZnO为基础的设备，氧化锌的纳米管除了能源利率高达1.6%之外，还表现出出色的光电压和填充因子。这种新颖的制造技术提供了一种简便、金属氧化物综合的途径去清晰明确地定义敏化太阳能电池的光阳极。 具有良好捕光效率的高标准染料敏化太阳能电池的是一种染上适度消光物质并拥有高表面积光电阳极（1200倍的扁平电极的面积）的产品。这种联合体能充分吸收大部分的可见光谱和红色波长所提升的空间。在最有效的电池中，光子被染料分子产生几十飞秒的时间尺度上的激子所拦截，因而产生电荷分离的效率接近于统一。最后能效的级别和电荷收集量是由电荷迁移率和电荷重组率之间的不同所支配。 为了能与相对缓慢（毫秒级）的纳米颗粒传输相竞争，一个例如碘化/三碘化物这样极缓慢的氧化还原穿梭必须采用阻碍其重组的方式。因此，典型的染料敏化太阳能电池，基于在TiO2和碘化物/三碘化物材料上，尽管出现了小的电子扩散系数，但是表现出非常良好的电荷收集性能。这些显著的反应对这些电池为了最高能效记录（~11%）的记述是非常重要的。为了推进装置的性能超越其目前的限制，更快的氧化还原穿梭（这需要一个较小的过电压以减少染料氧化）可以用于光伏的增加（前提是暗电流不增强）。另外，有较高的表面积结构将增加光捕获效率，因而增加光电流。任何一个方案的成功实施，都需要放缓电荷的重组。降低伴随着氧化还原穿梭的寄生反应的反应速率的方式包括了对无机屏障层上的金属氧化物的结构和染料的修改。 尽管金属氧化物的结构可允许在电池工作状态下完整的电荷收集，但是更快的氧化还原穿梭或高表面积的框架可能还需要更快的电荷运输条件。事实上，仅仅简单快速地替换碘化/三碘化物，而没有采取其他的变化，这已经被证实会由于电子收集问题而降低功率转换效率。为此，几种新型光阳极体系结构已经被制备，其中包括但不局限于水热法产生氧化锌纳米棒阵列、电沉积的氧化锌小板，和TiO2 通过钛阳极氧化形成气孔。 由于其较低的陷阱密度和更直接路径的集电极，表面上一维（1-D）的纳米结构阵列被预期加快电荷迁移的速度而对重组产生不利的影响。然而，纳米棒设备的效率是受限于较低的光捕获效率。增加纳米棒阵列的表面面积依赖于通过水热法增长较高宽高比杆方法，这仍然是一个重大的技术挑战。 在这里，我们介绍这一种新的光阳极设计具有非常高的宽高比子结构的特性和超过1000粗糙度系数（虽然我们最初的研究仅限于射频 E 450）。本设计实现策略结合阳极氧化铝（AAO）的模板和原子层沉积（ALD）产生定向电互连阵列的半导体纳米管。因为它是一个逐步和保形涂层技术，原子层沉积提供出色地控制纳米设备组成和结构。大量的金属氧化物通过ALD16接近（包括但不限于，二氧化钛，氧化锌，二氧化锡，氧化锆，和NiO）使得该技术可能是非常广泛适用于新光电极的开发。在这封信中我们说明这些结构的ZnO版本的可行性，例如描述染料敏化特征和形态，捕光效率和光伏性能。 一个具有25-50％为可穿透的200nm细孔的60微米厚薄膜是使用氮原子层沉积法涂有氧化锌，通过交替暴露于二乙基锌和水温度在?200?° C?使用反应物接触6次数和在接触期间用氮气扫吹5次。再将膜在空气中焙烧400℃至30分钟，以增加结晶度。1?μ m?厚的电极组成的透明、 导电掺铝（AZO）氧化锌通过ALD一侧沉积。本研究选择的商业AAO膜具有缩小至20nm内最后一个微米厚度的一侧。在偶氮沉积期间，除了薄膜的小缝隙表面其他都被金属所覆盖固定。为了提高电接触偶氮染料涂覆面积，100 nm的Au被蒸发到涂层的多孔氧化铝膜的边缘。经过加热到 200 ° C 和随后冷却至 80 ° C，微热的膜被引入到0.5毫米 (Bu 4 N)