染料敏化太陽能電池（簡稱DSSC）基于**率、低成本的特點而受到了廣泛的關注。DSSC的重要組成部分有：導電玻璃基底、納米尺寸的半導體薄膜、光敏化劑、對電極和電解液。其中，作為負極的半導體薄膜是重要的部分，一塊優(yōu)秀的負極薄膜材料應該具有：較大的比表面積、與染料和電解液匹配的帶隙和較高的電子遷移率等。TiO2薄膜材料是所有寬帶隙半導體中理想的一種。TiO2顆粒之間存在大量的晶界和晶體缺陷，導致大量載流子被復合掉，以及載流子在各個界面均存在不同程度的復合現(xiàn)象，導致TiO2基DSSC的光電效率再也難創(chuàng)新高。

通過對類似半導體性能的ZnO，SnO2，In2O3和Nb2O5等材料的研究發(fā)現(xiàn)：ZnO也是一名非常優(yōu)秀的候選者。其光電性能與TiO2非常相似，帶隙非常相近（TiO2的帶隙為3.2eV，ZnO的為3.37eV），且ZnO的電子遷移率比TiO2的大好幾個數(shù)量級。此外，ZnO 具有形貌結(jié)構(gòu)多樣、易于控制制備的優(yōu)勢，即通過簡單的調(diào)控實驗條件和參數(shù)可以制備出多種形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)，如納米棒陣列、納米管、分級微球、納米線、微米花等。但是跟TiO2基DSSC相比， ZnO基 DSSC光電轉(zhuǎn)換率仍然偏低。因為純ZnO薄膜的不穩(wěn)定性（ZnO表面的氧吸附作用會表面的導致表面的電導率發(fā)生變化），所以引入摻雜元素Al來制備n型ZnO結(jié)構(gòu)。將AZO薄膜沉積在ITO玻璃襯底上，通過調(diào)控摻雜濃度獲得具有較好光電性能的AZO基DSSC。

Al摻雜對ZnO晶面擇優(yōu)生長以及結(jié)晶性的影響

純ZnO和AZO薄膜上在同一衍射角下檢測到低表面能的（002）晶面，且沿c軸擇優(yōu)生長的特性隨著摻雜Al濃度增加到1.5 at%而變得更加**，但是Al濃度繼續(xù)增加其峰強就開始減小。當Al濃度增加到1.5 at%時（002）晶面峰強增加說明有Zn2+被Al3+取代，而更高摻雜濃度下薄膜結(jié)晶度反而變差是由于Zn2+ (0.074 nm) 和Al3+(0.054 nm)離子半徑相對較大而產(chǎn)生了內(nèi)應力。且隨著Al濃度的增加，晶體內(nèi)單位體積的位錯線增加，說明晶格內(nèi)的缺陷密度增加了。

Al/Zn的原子比對薄膜表面形貌的影響

圖2（a-e）為不同的Al摻雜濃度下AZO的FESEM圖。a圖，純ZnO薄膜表面光滑，顆粒形狀為六方，且為納米級多孔結(jié)構(gòu)。b圖， 0.5 at% AZO薄膜，其是連續(xù)、致密的薄膜，晶粒變大，顆粒形狀不規(guī)則，且和1at% AZO薄膜一樣存在顆粒團聚現(xiàn)象，如圖c。觀察發(fā)現(xiàn)摻雜Al濃度增加，顆粒形狀從六方變成片狀的納米多孔結(jié)構(gòu)。說明了Al/Zn的原子比對薄膜的表面形貌起著決定性作用。FESEM圖顯示薄膜具有多孔性，這種孔隙結(jié)構(gòu)增加了染料分子的吸附量，從而增加了光的捕獲率。通過AZO薄膜的顆粒尺寸分布柱狀圖獲知，隨著Al摻雜濃度增加，晶粒尺寸增大。

圖3為純ZnO和AZO的FESEM的三維視圖。a圖中，純ZnO薄膜由沿著c軸擇優(yōu)生長的柱狀納米結(jié)構(gòu)組成。而隨著Al的摻雜濃度升高，c軸的擇優(yōu)取向逐漸變差。

高的比表面積和孔隙率可以染料吸附量，增強光電性能。從圖中獲知，1.0at%-AZO薄膜具有較高的孔隙率，從而可以吸附較多染料來提高光電轉(zhuǎn)換效率。且很明顯地看出2.5at%-AZO的表面孔隙率較低，因此其染料吸附量也低。

二維AFM圖顯示薄膜都是致密的，且晶粒尺寸分布均勻，但是摻雜AZO的晶粒尺寸比純ZnO的大。從三維AFM圖中觀察到純ZnO薄膜是由沿著(002)晶相擇優(yōu)生長的柱狀顆粒組成。而AZO薄膜是由顆粒尺寸更大的島狀納米顆粒組成。相比純ZnO，AZO薄膜的表面粗糙度降低。且1.5at%-AZO由于這種島狀納米團聚體結(jié)構(gòu)擁有了更大的比表面積和孔隙率，促進了染料分子的吸收，可以增加薄膜的光電性能。

重摻雜會導致費米能級進入導帶，光吸收邊發(fā)生偏移，導致發(fā)生莫斯效應；以及新的復合中心產(chǎn)生，載流子濃度降低，發(fā)生帶收縮現(xiàn)象。且隨著Al濃度的增加，薄膜的表面粗糙度從14.6nm降低至12nm。PL分析可知薄膜中出現(xiàn)的近帶邊輻射和吸收峰與膜內(nèi)少量的缺陷有關。隨著Al濃度從0增加到1.5at%，薄膜電極的電阻率降低，載流子濃度和電子遷移率都升高。而在高摻雜條件下，薄膜的電阻率升高，可能是因為被晶界處存在的少量的絕緣的Al氧化物隔離開來了。用石榴染料敏化的AZO薄膜制成的DSSC獲得了1.02%的光電效率。結(jié)果證實，AZO薄膜具有較為獨特的納米結(jié)構(gòu)（片狀結(jié)構(gòu)），提高了DSSC的光電轉(zhuǎn)換性能。

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以上內(nèi)容來自小編zzj 2021.1.29