王艷香 ，李 晶，范學(xué)運，楊志勝，黃麗群，李家科，孫 健

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

化學(xué)浴法制備ZnO納米棒及其染料敏化太陽能電池性能

王艷香 ，李 晶，范學(xué)運，楊志勝，黃麗群，李家科，孫 健

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

采用了化學(xué)浴沉積法制備了ZnO納米棒，并將得到的ZnO納米棒作為光陽極用于DSSC中。主要研究了導(dǎo)電玻璃在反應(yīng)液中放置方式、生長液的濃度和Al3+摻雜種子層等對所形成的ZnO納米棒及染料敏化太陽能電池的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)導(dǎo)電玻璃長邊垂直放置于生長液中，生長液濃度為0.02 M， Al3+摻雜量為9wt.%%時，所得的ZnO納米棒長度為5 μm，其組裝成的DSSC的光電轉(zhuǎn)換率為1.07%，短路電流為5.64 mA/cm2，開路電壓0.40V，填充因子0.47。

染料敏化太陽能電池；ZnO納米棒；Al3+摻雜；光電性能

0 引 言

染料敏化太陽能電池(Dye sensitized solar cell，簡稱DSSC)是一種新型的光電轉(zhuǎn)換太陽能電池，它制作工藝簡單、性能穩(wěn)定和花費成本低，并且非常環(huán)保，因此具有很好的市場應(yīng)用前景。納米晶半導(dǎo)體光陽極作為DSSC的重要組成部分之一，主要起吸附染料和傳輸電子的作用，對DSSC的光電性能具有重要的影響[1-2]。

目前，可用于DSSC電池的納米半導(dǎo)體材料有很多種，如TiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5和In2O3等。在這些半導(dǎo)體材料中，TiO2、ZnO、和SnO2的性能較好。ZnO和TiO2均為寬禁帶半導(dǎo)體材料，其性能相接近，導(dǎo)帶電位相差也很小，均位于染料的最低未占據(jù)分子軌道之下，因此染料的光激發(fā)電子可以注入到導(dǎo)帶去。而電子在ZnO薄膜中的遷移率遠大于在TiO2中，減少了電子在薄膜中的傳輸時間；同時納米ZnO的制備工藝比TiO2的簡單，并且形貌更加豐富，如納米粒[3]、納米棒[4]、納米球[5]、納米片[6]、納米線[7]、納米環(huán)[8]、四角針狀[9]、納米帶[10]、納米花[11]和納米陣列[12]等，因此用ZnO作為光陽極比TiO2可以更進一步的優(yōu)化光陽極結(jié)構(gòu)，通過簡單的低溫化學(xué)合成就可以獲得各種不同形貌的納米ZnO，并且在低溫化學(xué)合成時能夠?qū){米ZnO表面進行改性研究，基于以上幾點，ZnO可以作為太陽能電池的光陽極材料之一，并成為光陽極材料較有力的競爭者。而在ZnO所有形貌中，納米陣列由于其傳輸電子的能力快速而引起了廣大學(xué)者的關(guān)注：2009年，S.N.Yun[13]等人利用水熱生長法制備了Al3+摻雜的納米棒陣列。摻雜后的納米棒排列緊密，比表面積增加，從而更利于染料的吸附。制備的Al3+摻雜ZnO納米棒陣列的染敏電池的最大光電轉(zhuǎn)化效率達到了1.34%，而未摻雜的只有0.05%；2010年，C.K.Xu[14]等人用化學(xué)浴沉積法制備了一維長度超過30 μm的納米線陣列。這種納米線陣列具有快速的電子傳輸速度，高的電子收集效率，他們通過加入NH4·OH降低溶液過飽和度抑制均勻成核，同時添加聚乙烯亞胺(PEI)進一步抑制均勻核化的過程中，由于PEI吸附了晶面生長面，所以保持ZnO種子層在基板上的長度增長有一個高的速率；2014年，K.H.Kim[15]等人采用水熱生長法制備了Al3+摻雜的納米棒。當(dāng)Al3+摻雜的ZnO納米棒復(fù)合在導(dǎo)電玻璃和納米多孔TiO2薄膜之間時，電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高到5.2%，而只裝備納米多孔TiO2薄膜的電池效率只有3.49%。

通信聯(lián)系人：王艷香(1972-)，女，博士，教授。

Correspondent author:WANG Yanxiang(1972-), female, Doc., Professor.

E-mail:yxwang72@163.com

目前，已有許多學(xué)者對ZnO納米棒做了研究，而ZnO納米棒的制備方法也是多種多樣。例如化學(xué)浴沉積[16]、分子束外延[17]、鋅納米線陣列的氧化[18]、化學(xué)氣相沉積[19]、電沉積[20]等。在這些方法中，化學(xué)浴沉積法是制備一維ZnO結(jié)構(gòu)最簡單易行的方法之一。因為它實驗過程簡單、實驗條件易控制，比較容易制備出具有多種花樣結(jié)構(gòu)的微納陣列[21-22]。而相比于其他ZnO納米結(jié)構(gòu)組成的光陽極，以ZnO納米棒為光陽極的電池效率仍較低，主要是因為當(dāng)前獲得的ZnO納米棒較短，同時由于ZnO納米棒排列稀疏所以光陽極的比表面積小，這樣吸附的光捕獲劑染料量少，因此在如何制備超長致密的ZnO納米棒以期進一步提高DSSC的光電性能方面需深入研究。本文以C4H10O6Zn為鋅源，以C3H8O2和C2H7NO的混合溶液作為溶劑，在FTO導(dǎo)電玻璃上用提拉浸漬法制備ZnO種子層；然后通過化學(xué)浴沉積法在Zn(NO3)2·6H2O和C6H12N4的水溶液中生長出納米棒，并且將得到的ZnO納米棒作為光陽極材料用于DSSC中。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

無水乙醇(C2H5OH，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、六次甲基四胺(C6H12N4，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、乙二醇甲醚(C3H8O2，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、乙醇胺(C2H7NO，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、二水乙酸鋅(C4H10O6Zn，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、九水合硝酸鋁(H18AlN3O18，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、N719染料(臺灣永光公司)、電解液(奧匹維特科技有限公司)、摻氟SnO2導(dǎo)電玻璃(FTO，美國皮爾金頓)。所有化學(xué)藥品都是分析純，以上試劑未經(jīng)處理直接使用。

1.2 實驗步驟

1.2.1 導(dǎo)電玻璃的清洗

本實驗中的導(dǎo)電玻璃為購買的FTO導(dǎo)電玻璃，方塊電阻為15 Ω/口，在使用前需要進行清洗。主要步驟如下：將FTO導(dǎo)電玻璃切割成20 mm×75 mm大小的方形；用無塵紙擦拭玻璃表面的灰塵，再用大量清水沖洗表面；將FTO導(dǎo)電玻璃浸在含有洗潔精的清洗器皿中，超聲20 min后取出用去離子水清洗干凈后，再加入去離子水超聲20 min，重復(fù)3次后繼續(xù)加入無水乙醇超聲20 min，重復(fù)3次。取出烘干備用。

1.2.2 種子層的制備

稱取一定量的二水醋酸鋅(摻Al3+種子層添加一定量的九水合硝酸鋁)，加到乙二醇甲醚和乙醇胺的混合溶液中，常溫下攪拌30 min，配成0.1 M的種子層溶液。種子層溶液Zn2+濃度過大不適于在FTO導(dǎo)電玻璃上均勻涂敷，所以試驗中所用種子層溶液中Zn2+濃度為0.1 M。采用提拉浸漬法在洗凈的導(dǎo)電玻璃鍍上薄膜，烘干后放入馬弗爐中煅燒，煅燒溫度為350 ℃，保溫15 min后自然冷卻至常溫。

1.2.3 納米棒的生長

稱取一定量的六水合硝酸鋅與六次甲基四胺(摩爾比為1 : 1)溶于去離子水中，常溫下攪拌30 min，得到納米棒生長液。將燒好的種子層放入燒杯中，用保鮮膜密封好后放入95 ℃恒溫烘箱，過24 h取出。用去離子水沖洗玻璃表面，烘干放入馬弗爐，50 min升到升到350 ℃保溫30 min后自然冷卻至常溫。

1.2.4 電池的組裝

將ZnO光陽極放入0.5 mM的N719染料溶液封閉之后，在無光照條件下浸泡2 h，得到吸附染料的光陽極，用夾子將光陽極分別與熱解鉑的對電極組裝成“三明治”結(jié)構(gòu)的電池，在兩個電極之間滴入電解質(zhì)組裝成開放式的電池。

1.2.5 性能表征

本實驗采用場發(fā)射掃描電鏡(SEM，F(xiàn)EI Quanta200 FEG 飛利浦(荷蘭))表征ZnO微觀形貌。使用太陽光模擬光源(SXDN-150, Nowdata Corporation, Japan)，數(shù)字源表(Keithley 2401，USA)，光強AM1.5（100 mW/cm2）測試電池I-V曲線，測試電池面積0.16 cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電玻璃放置方式對ZnO納米棒形貌及電池性能的影響

由于考慮到在化學(xué)浴沉積過程中，沒有對生長液外加攪拌，這樣可能會導(dǎo)致生長液濃度不均勻，不利于得到均勻的ZnO納米棒，所以本實驗設(shè)置了三種導(dǎo)電玻璃放置方式(如圖1)，圖1(a)是將導(dǎo)電玻璃長邊平行燒杯底，然后垂直放入生長液中，圖1(b)是將導(dǎo)電玻璃以近60 °傾斜放入生長液中，其中種子層面朝下，圖1(c)是將導(dǎo)電玻璃短邊平行燒杯底，然后垂直放入生長液中，三種導(dǎo)電玻璃放置方式對應(yīng)所制得的ZnO納米棒編號為1#、2#和3#。生長液中Zn2+與HMT濃度為0.02 M。

由圖2(a)-(f)可以看出，三種樣品形貌相差較大：樣品1#可以觀察到長度不同的兩種的納米棒，其中較短的納米棒的長度大約為1.0 μm，納米棒直徑在180 nm左右，同時短的納米棒上下均勻，另一種長度大約在1.7 μm左右，左右但是長的納米棒頂部較底部納米棒窄，成細針尖型，底部納米棒直徑在180 nm，而頂部只有20-50 nm；樣品2#所得的納米棒長度最短，只有500-800 nm，納米棒較均勻，可以觀察到結(jié)晶完好的六棱柱結(jié)構(gòu)ZnO，納米棒直徑在50-100 nm之間；樣品3#納米棒長度最長，大約有3-3.5 μm，且也較均勻，納米棒直徑約在50-100 nm之間。

圖1 導(dǎo)電玻璃放置方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of the placement of FTO

圖2 1#-3#ZnO納米棒的SEM圖Fig.2 The SEM images of ZnO nanorods #1-#3(a)(b) #1 (c)(d) #2 (e)(f) #3

ZnO納米棒生長的過程中，其反應(yīng)方程式如下：

(CH2)6N4先發(fā)生水解，先生成NH3，接著NH3再次水解生成OH-，而OH-與Zn(NO3)2·6H2O中的Zn2+反應(yīng)生成了生長基元Zn(OH)42-，Zn(OH)4

2-作為溶液當(dāng)中的生長基元，相互之間會發(fā)生氧橋鍵合作用并通過陰離子基團的質(zhì)子化反應(yīng)形成ZnO晶核。最后具有負(fù)電性的Zn(OH)42-在ZnO晶核的(0001)晶面上疊合后，沿c軸方向生長為棒狀ZnO晶體[23]。

圖3為1-3#ZnO納米棒的DSSC的I-V曲線圖，表1為1-3#的性能參數(shù)。由表1可以看出：樣品1#的短路電流，開路電壓以及填充因子都是三者中最低的，分析原因是其納米棒排列雜亂不均勻，且頂部與底部直徑相差較大，因此比表面積較小，吸附染料少，因而使得電池效率不高，只有0.28%。樣品2#的開路電壓，短路電流以及填充因子都有所增加，這是由于該方向上生長的納米棒取向性良好，分布均勻，但是長度短，這樣吸附的染料少，所以光電轉(zhuǎn)化率也不高。樣品3#具有三組樣品中最好的光電性能參數(shù)，因為它的長度是三者中最長的，這就為它傳輸電子提供了有利條件，其次它的比表面積相對與其他兩個樣品來說是最大的，這有助于其吸附染料，DSSC測試的光電性能結(jié)果和納米棒的微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果是相吻合的。

圖3 1-3#為光陽極的DSSC的I-V曲線圖Fig.3 The I-V curves of #1-3 based DSSCs

表1 1-3#電池的性能參數(shù)Tab. 1 Parameters of #1-3 based DSSCs

2.2 生長液濃度對ZnO納米棒形貌及電池性能的影響

有研究者指出，實驗在前驅(qū)體低濃度的條件下更有利于ZnO的c軸生長[25]。所以本實驗選用種子層溶液中Zn2+為0.1 M，導(dǎo)電玻璃放置方式為圖1(c)。生長液中Zn2+與HMT的變化濃度為0.02 M，0.04 M和0.06 M。

由圖4(a)(b)中可以看出，在0.02 M的生長液中，0.1 M種子層形成的納米棒長度約3 μm，納米棒直徑約100-200 nm在之間，且排布較緊密整齊；當(dāng)生長液的濃度為0.04 M時，形成的納米棒分層較明顯，一部分在1-2 μm之間，另一部分在3-4 μm之間，納米棒直徑則在50-100 nm之間，這是因為長度較長的那部分納米棒優(yōu)先生長，出現(xiàn)了上寬下窄的納米棒，從而抑制了長度較短的那部分納米棒的生長。較長的一部分納米棒排列比較整齊，形貌也很完整；由圖4(e)(f)可以看出，在0.06 M的生長液中，形成的納米棒排列緊密，長度約在2 μm左右，棒直徑約有200-300 nm。

在以Zn(NO3)2·6H2O和C6H12N4化學(xué)浴條件下制備ZnO晶體，ZnO晶體的生長條件，尤其是晶粒生長時的溶液結(jié)構(gòu)和晶體的界面性質(zhì)是影響ZnO晶體形貌的主要因素。ZnO是一種兩性氧化物，其在生長條件下的溶解度與溶液中OH-和Zn2+濃度有很大的關(guān)系，四面體生長基元[Zn(OH)4]2-由于中心原子鋅的不對稱分布，具有偶極子特性，生長基元的底面是負(fù)極面，頂點是正極面，另一方面，OH-和Zn2+濃度增大，溶液中的OH-和Zn2+離子之間作用不同，決定著鋅氧四面體離子之間的聯(lián)結(jié)方式，從而影響著晶體生長基元的結(jié)構(gòu)方式[24]。當(dāng)溶液中OH-和Zn2+濃度低時，由于溶液中的OH-離子較少，ZnO晶體的生長基元未被羥基化，晶體的生長界面性質(zhì)沒有受到影響，ZnO結(jié)晶速率較慢，ZnO晶核在橫向和縱向上均有足夠的生長時間，因此樣品中生成的ZnO晶體為六方柱狀。本研究均得到六方柱狀晶體是因為所用的OH-和Zn2+濃度均低。任何晶體的生長包含晶核形成和晶體生長兩個步驟，雖然所用的OH-和Zn2+濃度均低，但是隨著生長液濃度的提高，生長液中局部過飽和度增加，這樣生成晶核的數(shù)量就多，由于晶核數(shù)量較多，所以當(dāng)濃度增加到0.06 M時，納米棒長度反而降低了。

圖4 不同濃度生長液的ZnO納米棒的SEM圖Fig.4 The SEM images of ZnO nanorods prepared at different concentrations of growth solution(a)(b) 0.02 M (c)(d) 0.04 M (e)(f) 0.06 M

結(jié)合圖5和表2可以看出，隨著生長液中Zn2+與HMT濃度的增加，并沒有使得納米棒對應(yīng)的DSSC效率增加，反而有相對減弱的趨勢，尤其是當(dāng)生長液中Zn2+與HMT濃度達到0.06 M時，DSSC的效率降到了0.17%，這是因為所形成的納米棒長度最短，同時直徑最大，因此吸附染料的比表面積最小，所以效率非常低；當(dāng)生長液中Zn2+與HMT濃度為0.04 M時納米棒效率為0.69%，當(dāng)生長液中Zn2+與HMT濃度為0.02 M時，納米棒最長，分布均勻排列緊密，比表面積最大，有利于染料的吸附，所以電池的光電轉(zhuǎn)換效率最大。

圖5 不同濃度生長液的ZnO納米棒的DSSCs的I-V曲線Fig.5 The I-V curves of DSSCs assembled by ZnO nanorods prepared at different concentrations of growth solution

2.3 Al3+摻雜對ZnO納米棒形貌的影響

2.3.1 Al3+摻雜對ZnO種子層的影響

本實驗設(shè)置了3種Al3+摻雜種子層溶液比例：3at.%，6at.%和9at.%。種子層溶液Zn2+濃度為0.1M，生長液中Zn2+與HMT濃度為0.04 M，導(dǎo)電玻璃放置方式為圖1(c)。

圖6為沒有摻Al3+的ZnO種子層溶液和摻Al3+的ZnO種子層溶液所形成的種子層的斷面和表面SEM圖；由圖中可以看出，不摻Al3+的ZnO種子層厚度約為150 nm，隨著 Al3+摻雜量的增大，種子層厚度逐漸減小，致密度增加，當(dāng)ZnO種子層摻了9at.% Al3+時厚度為100 nm，厚度明顯減小，并且摻9at.% Al3+的ZnO種子層最致密。沒有摻Al3+的ZnO種子層和摻Al3+的ZnO種子層所形成的ZnO晶粒大小接近，均為20 nm左右。

表2 電池的性能參數(shù)Tab.2 Parameters of DSSCs

圖6 浸漬不同種子層的導(dǎo)電玻璃的SEM圖(a)(b)導(dǎo)電玻璃 (c)(d)ZnO種子層(e)(f)3at.% Al3+-ZnO種子層(g)(h)6at.% Al3+-ZnO種子層 (i)(j)9at.% Al3+-ZnO種子層Fig.6 The SEM images of FTO coated with different seed layer (a)(b) Empty FTO (c)(d) ZnO seed layer (e)(f) 3at.% Al3+-doped ZnO seed layer(g)(h) 6at.% Al3+-doped ZnO seed layer (i)(j) 9at.% Al3+-doped ZnO seed layer

圖7 不同Al3+摻雜種子層的ZnO納米棒的SEM圖Fig.7 The SEM images of ZnO nanorod growths with different Al3+doped seed layer(a)(b) 3% (c)(d) 6% (e)(f) 9%

2.3.2 Al3+摻雜量對ZnO納米棒形貌的影響

由圖7可以看出，Al3+摻雜量對ZnO納米棒的生長有著很大的影響：種子層中沒有填加Al3+見圖4(c-d)，納米棒分為兩部分：一部分在1-2 μm之間，另一部分在3-4 μm之間，納米棒直徑則在50-100 nm之間，當(dāng)種子層摻雜3at.%Al3+時，生成兩部分層次分明的納米棒，一部分較長，有4 μm左右，直徑在100-200 nm；另外一部分短的納米棒長度只有2.5 μm左右，直徑在50 nm左右；當(dāng)種子層摻雜6at.% Al3+時，長的部分的納米棒長度有所增加，達到4.5 μm左右，而短的部分的納米棒長度也大幅增加到4 μm左右，兩部分納米棒的長度差距減小，納米棒直徑約為200-300 nm，分析原因是Al3+的摻入使得種子層更加均勻了，從而使得在基底上的鋪展變得完整并且更加致密，使整個基底上的納米棒得到了充分生長。當(dāng)種子層摻雜9at.% Al3+時，納米棒的長度均勻，均達到了5 μm左右，比沒有摻雜Al3+的種子層生長的納米棒長了1-3 μm，直徑約在100-200 nm，比沒有摻雜Al3+的種子層生長的納米棒的直徑粗了50-100 nm。結(jié)果表明Al3+摻雜有利于得到結(jié)構(gòu)較均勻且更長的納米棒。

圖8 不同Al3+摻雜量的ZnO納米棒的DSSC的I-V曲線Fig.8 The I-V curves of DSSCs assembled by ZnO nanorods doped with different amounts of Al3+

表3 不同Al3+摻雜量的ZnO納米棒的DSSC的性能參數(shù)Tab.3 Parameters of DSSCs assembled by ZnO nanorods doped with different amounts of Al3+Value

通過圖8和表3可以看出，Al3+摻雜種子層溶液之后，納米棒對應(yīng)的DSSC光電性能得到了很大的改善，在Al3+摻雜量為3at.%的種子層溶液的納米棒的光電性能并沒有發(fā)生大的變化；當(dāng)Al3+摻雜種子層溶液的百分比達到6at.%的時候，納米棒的開路電壓比之前提高到了0.57 V，填充因子提高到了0.50，但是電流卻沒有大的變化；當(dāng)Al3+摻雜種子層溶液的百分比達到9at.%的時候，納米棒的短路電流比未摻雜提高了84.3%，達到了5.64 mA/cm2，這是因為納米棒長度增加，且分布均勻，其比表面積增大，提高了對染料的吸附，并且同時提高了電子傳輸速率。

3 結(jié) 論

(1)通過化學(xué)浴沉積法合成ZnO納米棒，當(dāng)FTO長邊垂直放置于0.02 M生長液中時，納米棒最長可達3 μm，其制備的DSSC的開路電壓0.59 V，短路電流3.49 mA/cm2，填充因子0.46，光電轉(zhuǎn)換效率為0.94%。

(2)當(dāng)種子層溶液Zn2+濃度為0.1 M且摻雜9at.%Al3+，生長基底垂直放置于0.04 M生長液中時，制備的ZnO納米棒最長可達5 μm，其制備的DSSC的開路電壓0.40V，短路電流5.64 mA/cm2，填充因子0.47，光電轉(zhuǎn)換效率為1.07%。種子層中增加Al3+摻雜有利于得到結(jié)構(gòu)較均勻且更長的ZnO納米棒。

[1] B J O E R K S T E N U, M O S E R J, G R A E T Z E L M. Photoelectrochemical studies on nanocrystalline hematite films [J]. Chemistry of materials, 1994, 6(6): 858-863.

[2] SANTATO C, ODZIEMKOWSKI M, ULMANN M, et al. Crystallographically oriented mesoporous WO3films: Synthesis, characterization, and applications [J]. Journal of the American Chemical Society, 2001, 123(43): 10639-10649.

[3] GUO H, HE X, HU C, et al. Effect of particle size in aggregates of ZnO-aggregate-based dye-sensitized solar cells [J]. Electrochimica Acta, 2014, 120: 23-29.

[4] YANG L, MA Q, CAI Y, et al. Enhanced photovoltaic performance of dye sensitized solar cells using one dimensional ZnO nanorod decorated porous TiO2film electrode [J]. Applied Surface Science, 2014, 292: 297-300.

[5] GAO R, CUI Y, LIU X, et al. A ZnO nanorod/nanoparticle hierarchical structure synthesized through a facile in situ method for dye-sensitized solar cells [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2(13): 4765-4770.

[6] MENG Y, LIN Y, LIN Y, et al. Preparation and surface modification of hierarchical nanosheets-based ZnO microstructures for dye-sensitized solar cells [J]. Journal of Solid State Chemistry, 2014, 210(1):160-165.

[7] MUGUERRA H, BERTHOUX G, YAHYA W Z N, et al. Electrodeposited ZnO nanowires as photoelectrodes in solidstate organic dye-sensitized solar cells [J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16(16): 7472-7480.

[8] PENG Y, BAO L. Controllable synthesis of ZnO nano ring [J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2008, 29(1): 28-32.

[9] 陳爾凡, 田雅娟, 程遠杰, 等. 四腳狀氧化鋅晶須的制備及微觀形態(tài)研究[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報, 2000, 172: 176.

CHENG Erfan, et al. Chemical Journal of Chinese Universities, 2000, 172:176.

[10] LIN C, LIN H, LI J, et al. Electrodeposition preparation of ZnO nanobelt array films and application to dye-sensitized solar cells [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2008, 462(1): 175-180.

[11] XU J, FAN K, SHI W, et al. Application of ZnO micro-flowers as scattering layer for ZnO-based dye-sensitized solar cells with enhanced conversion efficiency [J]. Solar Energy, 2014, 101: 150-159.

[12] TIAN J, ZHANG Q, UCHAKER E, et al. Constructing ZnO nanorod array photoelectrodes for highly efficient quantum dot sensitized solar cells [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(23): 6770-6775.

[13] YUN S, LEE J, CHUNG J, et al. Improvement of ZnO nanorod-based dye-sensitized solar cell efficiency by Aldoping [J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2010, 71(12): 1724-1731.

[14] XU C, SHIN P, CAO L, et al. Preferential growth of long ZnO nanowire array and its application in dye-sensitized solar cells [J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2009, 114(1): 125-129.

[15] KIM K H, UTASHIRO K, ABE Y, et al. Structural properties of zinc oxide nanorods grown on Al-doped zinc oxide seed layer and their applications in dye-sensitized solar cells [J]. Materials, 2014, 7(4): 2522-2533.

[16] YAMABI S, IMAI H. Growth conditions for wurtzite zinc oxide films in aqueous solutions [J]. Journal of Materials Chemistry, 2002, 12(12): 3773-3778.

[17] HEO Y W, VARADARAJAN V, KAUFAMAN M, et al. Site-specific growth of ZnO nanorods using catalysis-driven molecular-beam epitaxy [J]. Applied Physics Letters, 2002, 81(16): 3046-3048.

[18] LI Y, MENG G W, ZHANG L D, et al. Ordered semiconductor ZnO nanowire arrays and their photoluminescence properties [J]. Applied Physics Letters, 2000, 76(15): 2011-2013.

[19] SUN Y, FUGE G M, FOX N A, et al. Synthesis of aligned arrays of ultrathin ZnO nanotubes on a Si wafer coated with a thin ZnO film [J]. Advanced Materials, 2005, 17(20): 2477-2481.

[20] GOVENDER K, BOYLE D S, O’Brien P, et al. Roomtemperature lasing observed from ZnO nanocolumns grown by aqueous solution deposition [J]. Advanced Materials, 2002, 14(17): 1221-1224.

[21] 楊詹, 施媛媛, 孫喜蓮, 等. 化學(xué)浴沉積過程中的氧化鋅微米棒與納米棒研究[J]. 材料導(dǎo)報, 2009 (S1): 93-96.

YANG Zhan, et al. Material Review, 2009 (S1): 93-96.

[22] 王艷香, 周時俊, 孫健, 等. ZnO基柔性染料敏化太陽能電池的研究[J]. 陶瓷學(xué)報, 2015, 36(1):31-35.

WANG Yanxiang,et al. Journal of Ceramics, 2015, 36(1):31-35.

[23] 賈偉, 李天保, 張竹霞, 等. 化學(xué)浴沉積法制備 ZnO 的形成機制研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 2013,42(10):2007-2012.

JIA Wei, et al. Journal of Synthetic Crystal, 2013, 42(10): 2007-2012.

[24] 劉淑潔. 水熱法制備六方柱狀 ZnO 微晶的形貌, 結(jié)構(gòu)與光催化性能[D]. 武漢理工大學(xué), 2011.

[25] 孔祥榮, 劉琳, 邱晨, 等. 氧化鋅納米棒的研究進展[J]. 材料導(dǎo)報, 2009, 23(5): 105-108.

KONG Xiangrong, et al. Material Review, 2009, 23(5): 105-108.

ZnO Nanorods Fabricated by Chemical Bath Deposition Method and the Performance of their Dye-Sensitized Solar Cells

WANG Yanxiang, LI Jing, FAN Xueyun, YANG Zhisheng, HUANG Liqun, LI Jiake, SUN Jian
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

In this paper, Al3+doped ZnO nanorods were prepared by chemical bath deposition method and were used in the DSSCs as the photoanode. The effect of the placement of FTO, concentration of growth solution and doping amount of Al3+in seed layer on ZnO nanorods and DSSCs performance were investigated. The optimum preparation conditions were as following: the long side of FTO is placed in a vertical position in growth solution, and the concentration of growth solution and the doping amount of Al3+in seed layer is 0.02 M and 9%, respectively. Under the optimum preparation conditions, the length of ZnO nanorods was 5 μm and the photoelectric conversion, the short circuit current, open circuit voltage and fill factor of the DSSC were 1.07%, 5.64 mA/cm2, 0.40 V and 0.47, respectively.

dye sensitized solar cell; ZnO nanorods; Al3+doping; photoelectric conversion

date: 2015-05-01. Revised date: 2015-07-21.

10.13957/j.cnki.tcxb.2015.06.006

TQ174.75

A

1000-2278(2015)06-0601-09

2015-05-01。

2015-07-21。

國際科技合作專項 (2013DFA51000)；國家自然科學(xué)基金( 51102122)；江西省對外科技合作項目(20122BDH80003)。