ZnO基在染料敏化太阳能电池的应用及其表面改性
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摘要：本文简要的介绍了zno基在燃料敏化太阳能电池中的应用，从ZnO的研究进展、结构性质、光催化机理、优点及应用等方面展开了介绍。
染料敏化太阳能电池由于生产工艺简单，经济节约，对环境要求较低，能量转化效率高等优点，备受大众喜爱。它主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底几部分组成，ZnO由于其各种优秀特性成为光阳极的主要材料之一。另一方面，石墨烯作为一种零带隙导电材料，具有极高的载流子迁移率、特殊的运输特性和电化学稳定性；将其引入染敏光阳极，可以缩短电子传输路径，来提高光电转化效率。
1.1 ZnO的结构性质
ZnO成本低，无污染，传输电子能力强，且具有易结晶性和各向异性生长的特点，所以可控性强，可通过改变实验条件来获得ZnO不同特性的纳米结构，但缺点是稳定性差。
1.2 ZnO光催化剂的催化机理
氧化锌的能带宽度与氧化铁相近，且电子传输效率高，生长条件易于实现，将其运用于染料敏化太阳能电池中，虽然氧化钛因其表面存在大量的表面态，延迟了电子的传输，造成电子复合几率增大，电子损失多，但是以氧化锌为光阳极材料组装成的的能量转换效率仍然没能超过氧化钛，究其原因主要是氧化锌易与酸碱反应，在酸性染料的腐烛下稳定性差，因此我们可以通过寻找适合氧化锌的敏化染料材料、在氧化锌表面包覆其他材料形成核壳结构以保护氧化锌不被腐烛，或者在氧化锌纳米薄膜下面加一层散射层以增加光散射能力，促进光的吸收等方法改善氧化锌在染料敏化太阳能电池中的性能[1]。
氧化锌的用途十分广泛，主要用于橡胶、油漆、涂料、印染、玻璃、医药、化工和陶瓷等工业。纳米氧化锌因其全新的纳米特性体现出许多新的物理化学性能。纳米氧化锌除了作为微米级或亚微米级氧化锌的替代产品外，在抗菌添加剂、防晒剂、催化剂与光催化剂、气体传感器、图像记录材料、吸波材料、导电材料、旱绮牧稀⑾鸾禾砑蛹恋刃碌挠τ贸『弦舱在或即将投入应用。ZnO纳米薄膜的导电性跟光生电子的浓度，和光生电子的传输率都有很大关系，其中光生电子的传输率又是取决于所制备氧化锌的纳米结构的。如果氧化锌薄膜中晶粒的尺寸较小，晶粒表面杂质缺陷很少，并且晶粒的取向性好，分散性好，结晶度高，组织致密化程度高，那么光生电子在传输过程中就不容易散射，电子传输率就高，薄膜的导电性也就越好[2]。
1.4 ZnO的表面改性
在这些应用过程中，大多是与有机物相混的，而氧化锌作为无机物直接添加到有机物中有相当大的困难：
① 颗粒表面能高，处于热力学非稳定状态，极易聚集成团，从而影响了纳米颗粒的实际应用效果；
② 氧化锌表面亲水疏油，呈强极性，在有机介质中难于均匀分散，与基料之间没有结合力，易造成界面缺陷，导致材料性能下降。所以，必须对纳米氧化锌进行表面改性，以消除表面高能势，调节疏水性，改善与有机基料之间的润湿性和结合力，从而最大限度地提高材料性能和填充量，降低原料成本[3]。
本文主要是对改性过程中的主要条件变化进行了试验研究，就改性前后的粉体进行了必要的表征与分析。并将改性后的纳米氧化锌均匀地掺入了聚氨酯中，实现了与有机聚合物的良好混合 在新开发的纳米氧化锌应用中，大多是将氧化锌直接混入有机物中，而把氧化锌直接添加到有机物中有相当大的困难，因此必须对纳米氧化锌进行表面改性。以自制纳米氧化锌为原料，采用四氯化钛为改性剂对其进行了表面改性处理。
由表3.5 ZnO表面改性可知，通过TiCl4表面处理的氧化锌，制成染料敏化太阳能的电池性能，光电转化效率有明显提高，其中掺杂0.005%石墨烯的光电转化效率提高尤为明显，为1.79%：掺杂0.005%石墨烯的效率比纯氧化锌高0.32%。由图3.6表面处理 J-V曲线图可知，经过TiCl4表面处理的氧化锌和掺杂石墨烯，发现掺杂0.005%石墨烯的光电转化效率比纯氧化锌高2.03%。
参考文献：
[1]才红，纳米氧化锌的制备和表面改性，2000，365：993-1000.
[2]Wang zhou，etal.Visible-light photocatalytic，solar thermal andphotoelectrochemical properties of aluminium-reduced black titania[J].Energy Environ.Sci.，2013，6：3007-3014.
[3]王洋，刘博，纳米二氧化钛光催化材料研究进展[J].化学教育，2014，8：89-97.