[01125417]热氧化脉冲电沉积Cu纳米晶法制备一维CuO纳米针阵列及其在染料太阳能电池的研究

能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。当今，煤炭、石油、天然气和水能、核能仍然是全世界的主要能源。随着世界经济的大发展，特别是中国经济近20多年来平均每年以7%～8%的速度增长，大大加大了对能源的需求量。然而，这些化石染料（或称初级能源）在地球上的储藏量有限，不是取之不尽、用之不竭。根据已探明的储藏量和目前消耗水平，石油、天然气和铀只够使用30～50年，煤可用100～200年。不仅如此，化石染料的使用使得大量排放CO2、NxO、碳氢化合物及硫化物等污染物，导致温室效应、酸雨、臭氧层破坏等环境污染问题，严重危害人类身心健康。基于以上原因，开发新型清洁能源已引起世界各国的重视。 中国是能源消费大国，也是能源资源贫国。工业是能源消费的主要产业，近年来，随着工业经济的不断发展，能源消费不断攀升，而国内能源资源匮乏，导致能源约束矛盾比较突出。“十一五”以来，我国工业能源消费总量逐年递增，能源消费年均增长12.0%左右，而且还呈增长之势。经济高增长与能源高消耗并存的增长方式，直接导致了近年来能源供需矛盾加剧和能源环境压力增大。随着今后工业化加速发展、城市人口持续增加和居民消费结构的升级，全国能源消费还将呈快速增长态势，能源供需紧张的矛盾将不同程度的显现，环境影响的压力还将进一步加大。近年夏季的供电危机已对此敲响了警钟，能源问题已经成为中国长期发展中的关键因素，开发新型清洁能源更是迫在眉睫。 而在人类可以预测的未来时间内，太阳能作为人类取之不尽、用之不竭的洁净能源，不产生任何的环境污染，且基本上不受地理条件的限制，因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。由于纳米技术的诱人前景和广泛的经济和社会效益，将太阳能电池与纳米技术相结合的开发应用更成为研究的热点。但是，降低染料太阳能电池的成本与提高光电转换效率是当前染料太阳能电池研究的难点和制约其进一步推广实用的瓶颈。 太阳能电池是利用半导体p-n结的光生电动势效应(或称光伏效应，Photo-voltaic effect)将太阳能直接转换成电能的器件。光生电动势效应是光照射半导体时，激发自由电子和空穴分别向左右漂移，聚集在两端电极上而产生光生电动势Vpk，接上负载R就可产生光生电流Ipk。 光电池可分为固体光电池和液体光电池。前者如硅太阳能电池，后者如半导体电解质太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。根据所用材料的不同，太阳能电池又可分为：硅太阳能电池；无机化合物太阳能电池如砷化镓、硫化镉、铜铟硒电池；有机/聚合物太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。 尽管制作电池的材料不同，但其材料一般应满足以下几个要求： （1） 半导体材料的禁带不能太宽，一般在1.1-1.7eV之间； （2） 要有较高的光电转换效率； （3） 对环境不造成污染； （4） 便于工业化生产且性能稳定。 由于纳米技术的诱人前景和广泛的经济和社会效益，将太阳能电池与纳米技术相结合的开发应用更成为研究的热点。当前的研究中，一般选取TiO2或ZnO纳米晶薄膜作为染料太阳能电池的阳极材料，而采用Pt/ITO导电玻璃作为阴极材料，其光电转换效率η可分别达到10％或5％左右。 当前，太阳能电池的发展存在两个方向和难题：一是提高太阳能电池的光－电转换效率η；二是降低太阳能电池的生产成本，从而有利于太阳能电池在工业生产、人们日常生活中以及在农村等偏远地区的广泛应用和推广。但是，如何实现这一矛盾体的相互协调和利用是广大科学工作者的努力方向，也是当前制约染料太阳能电池的实际推广和应用的瓶颈和技术难题。 2005年美国加州大学的杨培东教授首次采用一维ZnO纳米线作为太阳能电池的阳极材料，该电池的光电转换效率η可达1.5％，这一结果发表在著名的杂志Nature Materials上，并引发了一维金属氧化物作为太阳电池材料的研究热潮。如：Kang-Jin Kin发现将一维TiO2纳米棒材料掺加到TiO2纳米晶薄膜太阳能电池中，光电转换效率比未掺杂时提高了42％；Dong Young Kin采用一维TiO2纳米棒材料制备染料太阳能电池中，光电转换效率可达6.2％；Clement采用一维ZnO纳米线制备CdSe染料太阳能电池，光电效率可达2.3％；Aydil等采用一维ZnO纳米线制备染料太阳能电池，光电效率可达0.5％，量子效率可达70％。 相对于纳米晶薄膜而言，一维纳米材料由于其一维结构具有较大的电子传输长度从而可以提高光电转换的量子效率；同时，它具有较大的比表面积，有利于染料的充分吸收，从而提高光电转换效率。 但是，上述研究都是集中在改进太阳能电池的阳极材料上，与阳极材料相对应的是Pt/ITO导电玻璃，因此阴极的成本依然昂贵，在此方面的研究依然很少。由于CuO (Φ=5.3eV)的逸出功与金属Pt (Φ=5.65eV) 的相近，同时p型CuO材料具有很高的空洞迁移率(0.1cm2V-1S-1)，因此，它可以取代金属Pt电极用于太阳能电池的阴极材料，并可极大的降低太阳能电池的生产成本，从而有利于太阳能电池的实际应用和推广。 在此方面，目前仅有香港科技大学的Yang教授有相应的工作研究，他们在不同的pH值下制备的一维CuO纳米棒染料太阳能电池阴极材料的光电转换效率可达0.12-0.29％。 在前期工作中，我们采用一维CuO纳米针/Cu基板，作为结构为“ITO/TiO2纳米晶/染料/CuO纳米针/Cu基板”的太阳能电池的阴极材料，光电转换效率η可达1.12％，该数值远远大于Yang的研究结果，这一结果已经发表在美国化学协会的“Journal of Physical Chemistry C” (2007，111: 5050) 杂志上。同时，本研究得到了中国博士后科学基金一等奖的资助（No：20060400254），并申请了两项国家发明专利（申请受理号：200710051255.0和200710051712.6）。 本项目基于热氧化脉冲电沉积金属Cu纳米晶法制备一维CuO纳米针材料，将其作为染料太阳能电池的阴极材料，测量光电转换性能，并研究一维CuO纳米材料的直径、形貌、微观结构和电子结构等与太阳能电池的转换效率之间的关系，得出理论模型。项目的研究将为研制与开发廉价、高转换效率的太阳能电池打下坚实的基础。 对于一维CuO纳米针染料太阳能电池阴极材料的研究主要采用微观结构分析和光电性能测量相结合的原则。具体包括以下三个方面的内容： 1 热氧化脉冲电沉积Cu纳米晶法制备一维CuO纳米针，并研究各种影响因素。 2 研究一维CuO纳米针材料的形貌、微观结构和电子结构与太阳能电池光电转换效率的关系。 3 模拟分析一维CuO纳米针染料太阳能电池阴极材料的光伏效应的理论模型。 4 一维CuO纳米针染料太阳能电池阴极材料的产品化。 通过本项目的研究和开发，预期在以下方面取得突破： 1 从电沉积参数和热氧化参数两方面优化出一维CuO纳米针材料的工艺。 2 将一维CuO纳米针材料作为染料太阳能电池的阴极材料，实现高光电转换效率。 3 建立一维CuO纳米针染料太阳能电池阴极材料的光伏效应的理论模型，为实验设计和生产实践奠定理论基础。 4 一维CuO纳米针材料在染料太阳能电池阴极的应用和开发，实现廉价、高效的染料太阳能电池的批量生产，从而从根本上解决能源危机和环境污染问题。