ZnO∶(Al, Sm)阻挡层薄膜的制备及其光电性能

2017-04-12郭伟华郝洪顺靳闪闪张作顺刘妍君李国辉侯红漫张公亮

发光学报 2017年4期

郭伟华，郝洪顺*，靳闪闪，张作顺，刘妍君，李国辉，侯红漫，张公亮

(1. 大连工业大学新材料与材料改性省高校重点实验室, 辽宁大连 116034; 2. 北京生态岛科技有限责任公司研发中心，北京 102402； 3. 大连工业大学食品学院，辽宁大连 116034)

郭伟华1，郝洪顺1*，靳闪闪1，张作顺2，刘妍君1，李国辉1，侯红漫3*，张公亮3

采用溶胶凝胶法制备ZnO∶Al,Sm阻挡层薄膜，并用X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、红外光谱(FTIR)、荧光光谱(PL)、紫外可见光谱(UV-Vis)和扫描电子显微镜(SEM)等对阻挡层薄膜进行了表征，探讨了Al、Sm掺杂量对阻挡层薄膜性能的影响。结果表明：当Al的掺杂摩尔分数为1%、Sm的掺杂摩尔分数为3%时，所制备的阻挡层荧光强度最高，可将部分紫外光下转换为588 nm的可见光，拓宽了光谱响应范围；基于ZnO∶1%Al,3%Sm阻挡层的海胆棘壳色素敏化的纳米TiO2太阳能电池的开路电压为0.73 V，短路电流密度为0.68 mA/cm2，转换效率达0.33%，效率比基于ZnO阻挡层的电池提高了约136%。

溶胶凝胶法； ZnO∶Al,Sm；阻挡层；染料敏化太阳能电池

1 引言

自1991年Grätzel[1]将TiO2薄膜作为多孔吸收层应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)获得7.1%的光电转换效率之后，DSSC因其成本低廉、工艺简单、无污染的特点一度成为研究热点。典型的DSSC由光阳极、电解质、光阴极(对电极)组成，具有三明治结构[2-4]。其中，光阳极是影响DSSC光电转换效率的关键构件，但光阳极自身与导电基板FTO(掺杂F的SnO2导电玻璃)之间的粘结性较差，使电解质中的碘离子能够渗透到FTO中与电子复合产生暗电流。为了抑制这种界面电子复合，可以在导电基板与光阳极之间构建一层致密阻挡层，以钝化FTO表面从而阻止碘离子的渗透[5-6]。阻挡层多为致密的氧化物薄膜，最常见的是TiO2致密膜，Cameron等[7]采用高温喷雾热分解技术制备了TiO2阻挡层，在短路条件下，能够有效抑制电解液与光阳极的界面电子复合。溶胶凝胶技术因操作简单、对设备要求低，也常被用来制备阻挡层薄膜。采用溶胶凝胶技术构建的TiO2致密膜，能够显著地提高电池的短路电流密度(JSC)[8]。聂铭歧等[9]采用溶胶凝胶法制备了TiO2∶Sm3+下转换阻挡层薄膜，受395 nm的紫外光照射时可发射出540～600 nm的可见光。在FTO 上旋涂两层TiO2∶Sm3+薄膜，其可见光透过率与相同层数的纯TiO2阻挡层相比基本相同，而电池的短路电流密度提高了13.2%，效率提升了16.2%。

相较于TiO2，ZnO由于结构中存在键能较大的离子键及共价键，赋予其独特的光学性能和电学性能，且由于其自身易产生缺陷，易于掺杂，故也可用作阻挡层[10-12]。Huang等[13]采用溶胶凝胶法通过旋涂的方式经高温烧结在FTO表面形成ZnO阻挡层，经TiCl4溶液后期处理，使ZnO阻挡层具有双重作用，不仅抑制了电子与电解质的复合，还减小了多孔层与FTO之间的界面电阻并且使电子寿命延长，效率增至8.9%。

考虑到稀土离子的下转换功能，本文采用溶胶凝胶法制备出ZnO∶Al,Sm透明下转换薄膜，固定Al的掺杂量，探究了Sm的掺杂量对该薄膜性能的影响。并将其用作阻挡层，P25为吸收层，以海胆棘壳色素乙醇溶液作为敏化剂，探讨了薄膜掺杂后用作阻挡层对电池光电性能的影响。

2 实验

2.1 致密ZnO∶Al,Sm阻挡层薄膜的制备与表征

将称好的醋酸锌倒入烧杯中，加入一定体积的乙二醇甲醚，再加入与总金属离子的量相等的乙醇胺，然后密封，在60 ℃下恒温搅拌1 h。之后，加入称好的九水硝酸铝和六水硝酸钐，在该温度下继续搅拌1 h，使溶胶成为透明均质液体。再将该胶体室温静置2 d备用。实验中固定Al3+的掺杂摩尔分数为1%，改变Sm3+的掺杂摩尔分数，制备ZnO∶Al,Sm胶体溶液。采用旋转涂覆法将胶体在预先清洗好的FTO(厚度2.2 mm，电阻率14 Ω/cm2，在可见光区的透过率约为90%)导电面上涂覆成膜。之后，将镀膜的导电玻璃放入80 ℃的烘箱中干燥30 min，然后将其放入马弗炉中，以3 ℃/min的速度由室温升温至300 ℃并保温0.5 h，再以3 ℃/min的速度由300 ℃升至500 ℃并保温1 h，自然冷却至室温备用。

采用X射线衍射仪(XRD，D/Max-3B)分析所制不同薄膜样品的物相组成，同时把胶体溶液烘干煅烧制得不同的粉体，由XRD进一步分析粉体的成分。通过扫描电子显微镜(SEM，JSM-6460LV)观察薄膜的形貌，并用EDS对其进行元素分析，以确定Sm元素的存在。采用红外光谱仪(FTIR，Frontier)在室温下分析记录薄膜及胶体溶液的红外吸收光谱，分析其中存在的化学键。采用LS55型荧光光谱仪(FL)测试薄膜的激发和发射光谱。通过紫外-可见吸收光谱仪(UV-Vis，Lambda35)测试薄膜的透过率。

2.2 纳米TiO2光阳极制备

称取0.3 g P25粉体放入玛瑙研钵中，量取0.2 mL冰乙酸，滴入到研钵中，研磨5 min；之后加入2 mL去离子水，研磨10 min；然后加入2滴OP乳化剂。再研磨2～3 h后放置30 min以排除浆料中的气泡，得到待用浆料。采用丝网印刷法将制备的浆料涂在附着有致密ZnO∶Al,Sm阻挡层薄膜的导电玻璃上(涂膜有效面积～0.25 cm2，厚度～4 μm)，室温下晾干后放入马弗炉中，以5 ℃/min的升温速率由室温升至500 ℃，并保温30 min。之后自然冷却，取出待用。

2.3 DSSC的组装及性能测试

将制备的纳米TiO2光阳极转移至一定浓度的大连紫海胆棘壳色素溶液中避光浸泡24 h，然后用无水乙醇淋洗去掉表面物理吸附的染料分子，自然晾干即得经染料敏化的光阳极。以镀有Pt的FTO作为光阴极，将光阳极与光阴极组合，用夹子固定好，然后向间隙中滴加适量的LiI/I2标准电解质，引出导线，即得到未封装的DSSC。

采用美国SS50型(AM1.5, 100 mW/cm2)太阳光模拟器和Keithley2400数字源表测试电池的光电性能，并通过日本分光计器公司的SM250型量子效率测试系统表征电池的单色光转化效率(IPCE)。

3 结果与讨论

3.1 XRD分析

采用旋涂法在FTO基底上制备不同组分的ZnO∶Al,Sm薄膜，因该致密薄膜很薄，难以通过XRD检测，通常采用测试其粉末来表征其物相组成。将涂膜后的胶体溶液烘干，然后煅烧制得相应的粉体，并对其进行XRD测试，结果如图1所示。由图可知，所有粉体均表现为单相六方纤锌矿结构，并没有检测到Al2O3和Sm2O3的特征衍射峰，说明Al和Sm并没有生成单独相，而是存在于ZnO晶格中。图中所有衍射峰与ZnO(PDF#36-1451)的标准峰一一对应，在2θ为31.76°、34.42°、36.25°、47.53°、56.60°、62.86°和76.96°处分别对应于(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(112)晶面。掺杂后的薄膜仍为(101)晶面择优取向，表明Al单掺或Al-Sm共掺并没有改变ZnO的晶体结构[14]。另外，通过对比分析发现，Al单掺或Al-Sm共掺之后ZnO的衍射峰与纯ZnO晶体的衍射峰峰位相近，峰形相似，但强度有不同程度的降低，这说明Al和Sm掺杂使ZnO的结晶度降低，而且与Al-Sm共掺相比，单掺Al使ZnO的结晶度降低程度更大。此外，掺杂之后，衍射峰的2θ角都向右发生了轻微偏移。

图1 不同ZnO∶Al,Sm粉体的XRD图

3.2 EDS分析

为进一步研究掺杂后ZnO薄膜的组成，采用EDS对制备的ZnO薄膜进行元素成分分析，结果如图2和图3所示。与图2相比，图3中除了含有Zn、O、Al元素外，还含有Sm元素，说明Al、Sm元素掺入了ZnO晶格中。

图2 ZnO∶1%Al薄膜的EDS图谱

图3 ZnO∶1%Al,3%Sm薄膜的EDS图谱

3.3 FTIR分析

图4 不同ZnO∶Al,Sm胶体溶液的红外光谱

Fig.4 FT-IR spectra of different ZnO∶Al,Sm colloidal solutions

3.4 荧光分析

图5(a)为纯ZnO、ZnO∶1%Al薄膜的荧光激发和发射光谱。由图可知，就纯ZnO薄膜而言，由于晶体生长过程中产生了氧空位等缺陷，当用光照射时，光生电子会与空穴结合从而产生跃迁，故在389 nm波长的光激发下，在588 nm附近有一发射峰。但是掺杂Al后，ZnO∶1%Al薄膜在588 nm的监测波长下，在389 nm附近的激发峰强度降低；然而，当用389 nm的波长激发样品时，其在588 nm处并未出现较强的发射峰，而在560 nm处则显现较强的发射峰，发射峰的蓝移与Al掺杂后改变了晶体中的缺陷种类和缺陷浓度有关。

图5 (a) ZnO和ZnO∶1%Al薄膜的激发和发射光谱；(b) ZnO∶1%Al,x%Sm(x=0.5,1,3,6) 薄膜的激发和发射光谱。

Fig.5 (a) Excitation and emission spectra of ZnO and ZnO∶1%Al. (b) Excitation and emission spectra of ZnO∶1%Al,x%Sm)(x=0.5, 1, 3, 6).

图5(b)为固定Al的掺杂摩尔分数为1%、Sm摩尔分数不同的ZnO∶1%Al,x%Sm (x=0.5,1,3,6)薄膜的激发和发射光谱。比较薄膜在389 nm激发下的发射光谱可知：所有样品的发射光谱的峰位基本一致，在可见光区存在以588 nm为中心的发射峰，来自Sm的4G5/2→6H7/2能级跃迁。随着Sm3+掺入量的增加，发射峰呈增强趋势。但该发射带较宽，这是因为引入Sm后，在Al、Sm的共同作用下产生了更多的缺陷，从而引起深能级发射和缺陷态发光，造成发射峰的宽化。当掺入6%的Sm3+时，发射峰的强度急剧降低，发生了浓度猝灭[17-18]。

图6为Sm3+的能级分布图和下转换发光机制。下转换发光过程可大致描述如下：位于基态6H5/2能级的Sm3+通过吸收389 nm的光子被激发跃迁至4L13/2，4L13/2能级上的Sm3+迅速发生无辐射弛豫至4G5/2能级，继而发生4G5/2→6H7/2能级跃迁，同时辐射出589 nm波长的光。

图6 Sm3+的能级分布图和下转换发光机制

Fig.6 Schematic energy level diagrams of Sm3+and downconversion mechanism excited by 389 nm

3.5 UV-Vis透过率分析

图7为ZnO∶Al,Sm薄膜的紫外-可见光谱。在FTO 表面旋涂一层膜之后，导电玻璃的透过率比未涂膜时均有所降低。当薄膜为纯ZnO时，薄膜的透过率最低，说明ZnO颗粒排列紧密，致密度较高，因而薄膜的孔隙率较低，很大程度上阻止了光的透过。当向其中加入1%的Al时，可以看到薄膜的透过率有所提高，这可能是因为Al加入后进入到ZnO晶格中，由于其离子半径比Zn小，取代后会造成周围的Zn在晶格能的作用下对其进行挤压，形成晶格畸变，使颗粒之间的空隙增大，从而使透过率有所升高。

固定Al的掺杂摩尔分数为1%，再向其中加入不同量的Sm，随着Sm掺杂量的增加，薄膜的透过率并未呈现出规律变化。然而当Sm的摩尔分数为6%时，其在可见光区和近紫外区的透过率最高。这可能是因为，加入足够量的Sm之后，因为Sm的离子半径比Al、Zn都大，其进入晶格内部后，会对周围的Al、Zn造成压缩，使晶格膨胀，由晶粒形成的颗粒体积较大，排列相对疏松，整个薄膜的致密度降低[19]，故此时的透过率最高。

图7 不同ZnO∶Al,Sm薄膜的紫外-可见透过光谱

3.6 SEM分析

在玻璃基片上生长的ZnO薄膜仍具有较强的c轴择优取向，溶胶与玻璃的浸润性导致了皱纹和裂纹等宏观收缩行为的出现，但并未改变薄膜的生长取向[20]。在ZnO薄膜的制备过程中，退火温度将直接影响薄膜的微观结构，进而对ZnO薄膜的表面形貌产生显著的影响[21]。实验中ZnO薄膜以3 ℃/min的升温速度升至300 ℃后保温30 min，之后以相同的升温速率升至500 ℃并保温1 h，图8为所制ZnO∶1%Al,3%Sm薄膜的扫描电镜图片。当薄膜处于2 000倍的低倍镜下时，可以看到薄膜的表面有许多的皱纹，所有的皱纹取向杂乱，长短不一。在中倍数(10 000倍)下，可以看到薄膜是由许多的小颗粒组成，颗粒的生成是随机的，致使致密度和颗粒空隙分布不均匀但并未看到明显的空隙。当继续增大放大倍数(30 000倍)时，发现薄膜是由几十到二三百纳米不等的颗粒组成，排列相对紧密，但致密程度并不均一，可以看到较大的空隙存在。

图8 ZnO∶1%Al,3%Sm薄膜在不同放大倍数下的扫描电镜图片。(a)2 000×；(b)10 000×；(c)30 000×。

Fig.8 SEM of ZnO∶1%Al,3%Sm film under different magnifications. (a)2 000×. (b)10 000×. (c)30 000×.

3.7 光电性能分析

将具有不同ZnO∶(Al, Sm)阻挡层的光阳极在海胆棘壳色素溶液中敏化后，组装成电池进行性能测试，如图9所示，测试所得的特征参数列于表1中。直接用ZnO作阻挡层时，由于颗粒间致密度相对高致使阻挡层的透过率不高，从而光阳极的光捕获效率也不高，所以电流密度较低。当加入1%的Al后，薄膜的紫外-可见透过率有所提升，尤其在可见光区透过率相对更高，从而使光阳极可捕获的光子数目增多，继而光生电子的数目相应增加使电流密度有所提高。当用ZnO∶1%Al, 3%Sm薄膜作阻挡层时，虽然此时薄膜的透过率与ZnO∶1%Al薄膜相比并未有明显的变化，但是由于Sm具有下转换功能，能够吸收紫外光，它的加入一方面使紫外光的吸收增强，另一方面可将其转化为可见光使吸附染料的光阳极对光进行二次吸收，整体上增强了光子捕获效率从而提高电流密度。从表1可知，当阻挡层为ZnO时，其光电转换效率为0.14%；当以ZnO∶1%Al,3%Sm为阻挡层时电池的效率达0.33%。

图9 基于不同ZnO∶Al,Sm阻挡层的DSSC的电流密度-电压曲线

Fig.9J-Vcurves of DSSCs based on different ZnO∶Al,Sm block layers

表1 基于不同ZnO∶Al,Sm阻挡层的DSSCs光电性能参数

Tab.1 Photoelectric performance parameters of DSSCs based on different ZnO∶Al,Sm block layers

BlocklayerVoc/VJsc/(mA·cm-2)FFη/%ZnO0.680.400.620.14ZnO∶1%Al0.700.540.590.21ZnO∶1%Al,3%Sm0.730.680.650.33

为了进一步表征电池的性能，测试了电池的入射单色光子-电子转换效率(IPCE)，所得结果如图10所示。从图中可以看出，在300～800 nm之间，电池的IPCE曲线波动较大，在350～390 nm 处达到峰值，且在750 nm处出现另一微弱峰。但不同掺杂薄膜做阻挡层的电池在可见光范围内的转换效率并不高。纯ZnO和ZnO∶1%Al作阻挡层时，量子效率差别不大，而ZnO∶1%Al,3%Sm薄膜作阻挡层的电池量子效率较ZnO和ZnO∶1%Al薄膜有所提高。这可能是因为:一方面，Sm的加入使薄膜的透过率略有增强，使照射到吸收层的入射光强度得以提高；另一方面，由于Sm的下转换作用，可以更多地吸收近紫外光，将其转换为可见光，促进光的再吸收。但由于海胆棘壳色素在可见光范围内吸收较弱，故在可见光区并未显示出吸收峰而在近紫外区显示出较强吸收。

图10 基于不同ZnO∶Al,Sm阻挡层的DSSC的IPCE曲线

Fig.10 IPCE curves of DSSCs based on different ZnO∶Al, Sm block layers

4 结论

以溶胶凝胶法制备ZnO及Al、Sm掺杂ZnO阻挡层，通过多种表征确定了所制备薄膜的成分。荧光测试表明，掺杂钐离子的薄膜具有下转换作用。固定Al的掺入摩尔分数为1%，当掺入Sm的摩尔分数为3%时，薄膜的荧光强度最高。在不同阻挡层上制备相同的TiO2吸收层，用海胆棘壳色素乙醇溶液敏化后测试电池性能，当阻挡层为ZnO时，其光电转换效率为0.14%；而当以ZnO∶1%Al,3%Sm为阻挡层时，电池的效率达0.33%，比纯ZnO提高了约136%。此时开路电压为0.73 V，短路电流密度为0.68 mA/cm2，填充因子为0.65。

[1] O’REGAN B, GRTZEL M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films [J].Nature, 1991, 353(6346):737-740.

[2] KAKIAGE K, AOYAMA Y, YANO T,etal.. Highly-efficient dye-sensitized solar cells with collaborative sensitization by silyl-anchor and carboxy-anchor dyes [J].Chem.Commun., 2015, 51(88):15894-15897.

[3] 孙琼, 孙先淼, 李阳, 等. 具有阵列-簇双层结构的TiO2纳米棒的光电性能 [J]. 发光学报, 2013, 34(1):61-65. SUN Q, SUN X M, LI Y,etal.. Photoelectrical properties of TiO2nanorods with an array-cluster double-layered structure [J].Chin.J.Lumin., 2013, 34(1):61-65. (in Chinese)

[4] 陶勇, 廖志君, 伍登学, 等. 染料敏化太阳能电池阻挡层的制备及其性能研究 [J]. 功能材料, 2011, 42(7):1177-1179. TAO Y, LIAO Z J, WU D X,etal.. Fabrication and investigation of blocking layer in dye-sensitized solar cells [J].J.Funct.Mater., 2011, 42(7):1177-1179. (in Chinese)

[5] 秦艺颖, 胡志强, 张普涛, 等. 染料敏化太阳能电池Sm3+掺杂TiO2下转换光阳极的制备及性能 [J]. 发光学报, 2015, 36(8):868-874. QIN Y Y, HU Z Q, ZHANG P T,etal.. Synthesis and properties of Sm3+-doped TiO2down-conversion photoanode for dye-sensitized solar cells [J].Chin.J.Lumin., 2015, 36(8):868-874. (in Chinese)

[6] 陈东坡, 张晓丹, 魏长春, 等. TiCl4水解法制备的阻挡层对染料敏化太阳能电池光电性能的影响 [J]. 物理化学学报, 2011, 27(2):425-431. CHEN D P, ZHANG X D, WEI C C,etal.. Effect of blocking layers prepared by the hydrolysis of TiCl4solution on the photovoltaic performance of a dye-Sensitized solar cell [J].ActaPhys.Chim.Sinica, 2011, 27(2):425-431. (in Chinese)

[7] CAMERON P J, PETER L M. Characterization of titanium dioxide blocking layers in dye-sensitized nanocrystalline solar cells [J].J.Phys.Chem. B, 2003, 107(51):14394-14400.

[8] KOVASH JR C S, HOEFELMEYER J D, LOGUE B A. TiO2compact layers prepared by low temperature colloidal synthesis and deposition for high performance dye-sensitized solar cells [J].Electrochim.Acta, 2012, 67:18-23.

[9] 聂铭岐, 胡志强, 秦艺颖, 等. TiO2/Sm3+下转换薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用 [J]. 发光学报, 2014, 35(8):974-979. NIE M Q, HU Z Q, QIN Y Y,etal.. Preparation of TiO2/Sm3+down-conversion film and its application in dye-sensitized solar cell [J].Chin.J.Lumin., 2014, 35(8):974-979. (in Chinese)

[10] 马振辉, 谷景华, 张跃. 溶剂热法制备Al掺杂ZnO 薄膜的机理研究 [J]. 人工晶体学报, 2012, 41(1):74-78. MA Z H, GU J H, ZHANG Y. Study on growth mechanism of Al doped ZnO films prepared by solvothermal method [J].J.Synth.Cryst., 2012, 41(1):74-78. (in Chinese)

[11] MEREU R A, MESAROS A, VASILESCU M,etal.. Synthesis and characterization of undoped, Al and/or Ho doped ZnO thin Films doped ZnO thin films [J].Ceram.Int., 2013, 39(5):5535-5543.

[12] RANI A A, ERNEST S. Structural, morphological, optical and compositional characterization of spray deposited Ga doped ZnO thin film for dye-sensitized solar cell application [J].Superlatt.Microstruct., 2014, 75:398-408.

[13] HUANG N, LIU Y M, PENG T,etal.. Synergistic effects of ZnO compact layer and TiCl4post-treatment for dye-sensitized solar cells [J].J.PowerSources, 2012, 204:257-264.

[14] PHURUANGRAT A, YAYAPAO O, THONGTEM T,etal.. Preparation, characterization and photocatalytic properties of Ho doped ZnO nanostructures synthesized by sonochemical method [J].Superlatt.Microstruct., 2014, 67:118-126.

[15] KLEINWECHTER H, JANZEN C, KNIPPING J,etal.. Formation and properties of ZnO nano-particles from gas phase synthesis processes [J].J.Mater.Sci., 2002, 37(20):4349-4360.

[16] CHANG M, CAO X L, ZENG H B,etal.. Enhancement of the ultraviolet emission of ZnO nanostructures by polyaniline modification [J].Chem.Phys.Lett., 2007, 446(4-6):370-373.

[18] 秦艺颖, 胡志强, 张普涛, 等. 染料敏化太阳能电池Eu3+, Sm3+掺杂TiO2下转换光阳极的制备及性能 [J]. 光子学报, 2016, 45(6):0616002-1-7. QIN Y Y, HU Z Q, ZHANG P T,etal.. Synthesis and properties of Eu3+, Sm3+-doped TiO2down-conversion photoanode for dye-sensitized solar cells [J].ActaPhoton.Sinica, 2016, 45(6):0616002-1-7. (in Chinese)

[19] PAL P P, MANAM J. Structural and photoluminescence studies of Eu3+doped zinc oxide nanorods prepared by precipitation method [J].J.RareEarths, 2013, 31(1):37-43.

[20] 曾凡强, 战可涛. sol-gel法制备的ZnO∶(Al, La)透明导电膜光电性能 [J]. 电子元件与材料, 2008, 27(7):47-49. ZENG F Q, ZHAN K T. Photoelectric properties of ZnO∶(Al, La) transparant conductive thin film prepared by sol-gel method [J].Electron.Compon.Mater., 2008, 27(7):47-49. (in Chinese)

[21] XUE S W, ZU X T, ZHENG W G,etal.. Effects of annealing and dopant concentration on the optical characteristics of ZnO∶Al thin films by sol-gel technique [J].Phys. B, 2006, 382(1-2):201-204.

郭伟华(1989-)，男，河南郑州人，硕士研究生，2013年于河南大学获得学士学位，主要从事光电功能材料方面的研究。

E-mail: gwh1019627@163.com侯红漫(1964-)，女，辽宁大连人，博士，教授，博士生导师，2003年于大连理工大学获得博士学位，主要从事食品安全检测的研究。

E-mail: dlhhm2003@sina.com郝洪顺(1979-)，男，山东聊城人，博士，副教授，硕士生导师，2011年于北京科技大学获得博士学位，主要从事光电功能材料的研究。

E-mail: beike1952@163.com

Preparation and Photoelectric Property of ZnO∶(Al, Sm) Block Films

GUO Wei-hua1, HAO Hong-shun1*, JIN Shan-shan1, ZHANG Zuo-shun2, LIU Yan-jun1, LI Guo-hui1, HOU Hong-man3*, ZHANG Gong-liang3

(1.LiaoningProvincialCollegeKeyLaboratoryofNewMaterialsandMaterialModification,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China; 2.ResearchandDesignDepartment,BeijingEco-islandScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Beijing102402,China; 3.SchoolofFoodScienceandTechnology,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,China)*CorrespondingAuthors,E-mail:beike1952@163.com;houhongman@dlpu.edu.cn

Al and/or Sm doped ZnO block films were prepared by sol-gel method, and characterized by XRD, EDS, FTIR, PL, UV-Vis and SEM to investigate the effects of Al and Sm doping content on the performance. When the doping mole fraction of Al is 1%, and that of Sm is 3%, the photoluminescence intensity of the block film is the highest. The film can down-convert part of ultraviolet light to visible light of 588 nm, which widens the spectra response range. By using ZnO∶Al,Sm down-conversion film and TiO2(P25) porous absorbing layer, after sensitized by the pigment ethanol solution of spines of sea urchin, the short-circuit current density and open-circuit voltage of the dye sensitized solar cell (DSSC) are 0.68 mA/cm2and 0.73 V, respectively. And the DSSC achieves the power conversion efficiency of 0.33%, which is increased by 136% compared to the DSSC based on ZnO block layer.

sol-gel; ZnO∶Al,Sm; block layer; dye sensitized solar cell(DSSC)

1000-7032(2017)04-0442-08

2016-08-31；

2016-10-18

国家海洋食品工程技术研究中心开放基金(2012FU125X03)；辽宁省教育厅项目(2016J021)；辽宁省教育厅重大科技平台(2011-191)资助项目 Supported by Open Fund of National Marine Food Engineering Technology Research Center(2012FU125X03); Project of Education Department of Liaoning Province(2016J021); Major Science and Technology Platform of Education Department of Liaoning Province(2011-191)

TM914

10.3788/fgxb20173804.0442