太阳能电池用ZnO/NiO纳米复合粒子的制备与表征

摘要

研究了ZnO和NiO混合物对太阳能电池的影响。采用水热法制备ZnO和NiO粒子，并在500℃下退火1小时。采用x射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对颗粒的晶体结构和形貌进行了表征。XRD测试结果表明，ZnO颗粒为六方纤锌矿结构，NiO颗粒为立方结构。SEM结果表明，ZnO和NiO粒子均为纳米粒子形式。采用N-719(钌)染料和100/ 0,50 /50和0/100的ZnO/NiO粒子混合制备了染料敏化太阳能电池。结果表明，ZnO制备的太阳能电池的效率最高，为0.542%。此外，在ZnO/NiO混合物中，随着NiO含量的增加，dsc的效率降低。

1.介绍

氧化锌(氧化锌),宽禁带半导体材料的能隙3.37 eV和大型激发结合能(60 meV),获得了大量的关注其潜在应用化学传感器、声表面波滤波器,发光二极管,透明导体,和太阳能电池,等等1- - - - - -7]．一些其他的氧化物材料是氧化镍(NiO)，它是一种具有宽带隙(3.6-4.0 eV)的半导体，广泛应用于气体传感、催化、磁性材料、电致变色膜和电池阴极[8- - - - - -11]．染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于其制造成本低、易于制造和可调谐的光学特性(如颜色和透明度)，在过去几年也获得了普遍的兴趣。纳米结构金属氧化物材料，如ZnO, NiO, TiO₂, SnO₂等，被用来制造dscs [12- - - - - -16]制备纳米结构材料的方法有很多[17- - - - - -21]水热法是制备纳米颗粒的最佳方法之一，因为它不昂贵，而且是一种简单的方法。ZnO和NiO纳米颗粒用于太阳能电池。

在本研究中，为了研究太阳能电池的性能，制备了纳米复合ZnO/NiO DSSCs，并将所得结果与ZnO和NiO DSSCs进行了比较。在文献中，虽然有很多关于ZnO/TiO的研究₂DSSC[22- - - - - -27，我们没有遇到任何与ZnO/NiO复合DSSCs相关的工作。例如，Giannouli [26]研究了ZnO/tio2复合材料的性能₂复合材料对染料敏化太阳能电池的效率和稳定性的影响。他观察到，在不同的多组分电解质中使用的材料的组合性能提高了复合ZnO/TiO的效率₂细胞。类似地，Feng等人[27]制备了一种基于ZnO/TiO的DSSC₂复合纳米光电阳极。他们发现DSSC基于ZnO/TiO₂复合薄膜光电阳极的功率转换效率为4.36%，远高于纯ZnO纳米棒和TiO复合薄膜光电阳极的功率转换效率(3.10%)₂纳米棒薄膜光电阳极(0.63%)。蒋等人[28]通过沉积TiO薄膜制备了DSSC₂/NiO复合粒子的制备方法是将Ni粉与TiO混合而成₂粒子。他们的研究表明，含TiO的DSSC的功率转换效率较高₂/NiO复合颗粒为3.80%。

2.材料和方法

制备ZnO粒子时，0.2 M醋酸锌和0.2 M氢氧化钠溶液与50 mL乙醇混合。将配制好的溶液置于高压釜中，在200°C的熔炉中等待6小时。通过溶解0.1 M的六水氯化镍(NiCl)制备NiO₂h·6₂O） ，0.1 M六亚甲基四胺（HMT，C₆H₁₂N₄)，50 mL去离子水。在200°C条件下，在置于炉中4小时的高压釜中进行水热生长 h、 将所得颗粒用蒸馏水洗涤数次并在室温下在空气中干燥以进一步表征。所得颗粒在500°C下退火1小时。然后将所得ZnO颗粒与NiO颗粒混合。为了获得DSSC的工作电极，将ZnO/NiO粉末制备成糊状，然后进行pri采用刮片技术在ITO玻璃上进行了表面改性，膜厚由3 最后，将纳米结构的ZnO/NiO复合薄膜浸入Ruthenium 535 Bisbba染料溶液中2小时。通过以不同比例（100/0、50/50和0/100）混合ZnO和NiO颗粒，制备了同时含有ZnO和NiO的复合薄膜。

用10μg/ml的催化剂制备了铂涂层对电极 mM六氯铂酸（H₂竞购₆)溶液。将溶液滴2 - 3滴在ITO镀膜玻璃板上，在炉中400℃空气烧结1 h后，在炉中冷却至室温。0.5 M KI与0.05 M I混合制备液体电解质₂溶于乙二醇。在工作电极和对电极之间滴一或两滴这种溶液。

三明治型太阳能电池通过在钌535-bisTBA染料敏化光电电极(工作电极)上放置铂涂层对电极组装而成，并将它们夹在一起作为开放电池进行测量。基于ZnO/NiO纳米复合粒子的DSSC示意图如图所示1．采用x射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对颗粒的晶体结构和形貌进行了表征。作为一种应用，染料敏化太阳能电池由纳米结构的金属氧化物颗粒制成。电流-电压使用吉时利2400源计，在300瓦Xeon灯的照明下，使用Luzchem Photoreactor校准的AM1.5光谱，测量电池的特性。

3.结果与讨论

用x射线衍射图测定了颗粒的晶体结构。数字2显示了ZnO纳米粒子的XRD谱图。图中显示的峰属于六方纤锌矿型ZnO相。为了便于对比，氧化锌的标准粉末衍射数据(PDF-2参考代码00-036-1451)也如图所示2．数字3.显示NiO颗粒的XRD谱图。图中显示了(111)、(200)和(220)的反射，图中的所有峰值都属于立方NiO相位(PDF-2参考代码004-0835)。ZnO和NiO纳米颗粒没有其他杂质衍射峰，XRD谱图上的尖峰证实了ZnO和NiO高结晶相的形成。

使用谢勒公式计算材料的微晶尺寸，如下所示： 在哪里为微晶尺寸，是入射辐射波长（1.5406 Å代表铜 Kα辐射),峰宽在其半高是用的吗,为衍射角。ZnO和NiO的平均晶粒尺寸分别为47、2 nm和59、3 nm。退火后样品的SEM图像如图所示4如图所示，ZnO具有空心球形纳米结构（图4(一))和NiO是纳米颗粒的形式(图4 (b)）.从图4观察到ZnO和NiO纳米颗粒具有高度的多孔性。

光电流(我)及光电压(V)，在1 cm活动面积的光照下测量²使用由300 W Luzchem太阳能模拟器产生的AM-1.5模拟阳光。利用源计(吉时利2400)从0 V到0.8 V进行电压线性扫描得到光电电压曲线。电流电压(我-V)由ZnO/NiO纳米颗粒复合材料组装的DSSC的特性如图所示5．从我-V结果表明，在ZnO/NiO混合体系中，随着NiO含量的增加，dsc的效率降低。

用公式计算了转换效率 转换效率等基本结果(η)、开路电压()，短路电流密度()，以及填充因子()已总结在表中1．每个单元格的填充因子按下式计算: 在哪里和为最大功率点的电流值和电压值。

在桌子上1，虽然观察到以ZnO制成的薄膜具有最高的性能，但ZnO/NiO复合纳米粒子可以为染料吸附提供较大的比表面积。采用ZnO纳米颗粒制备的DSSCs的光伏性能与已发表的文献相当[29，30.]．此外,用NiO制作的太阳能电池的电池效率与文献相符[31，32]．如表所示1，当ZnO和NiO纳米复合粒子混合时，效率降低，而对于NiO纳米粒子制备的电池，效率最低。这是因为ZnO(空心结构)染料被认为是更好的吸收和提高效率的结果。

4.结论

采用水热法在200°C下制备了ZnO和NiO纳米颗粒，并将所得纳米颗粒混合制备了DSSC。XRD和SEM结果显示了纳米结构材料电流-电压从曲线上可以看出，当ZnO/NiO混合物中NiO含量增加时，DSSCs的效率降低。

相互竞争的利益

作者声明他们没有相互竞争的利益。

致谢

作者衷心感谢Kahramanmaras SütçImam大学科研项目部对项目的资助（项目代码：BAP-2014/4-32M，KSU土耳其）。

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