Как известно, в «классической» ячейке Гретцеля в качестве анода используется высокопористый нанокристаллический оксид титана (IV). Однако в последнее время все большую актуальность приобретает оксид цинка (II), поскольку считается, что благодаря большей подвижности электронов при его использовании возможно уменьшить потери при рекомбинации.

Но несмотря на высказанные предположения о возможном повышении эффективности преобразования энергии, ученым пока не удалось приблизиться к эффективности солнечных батарей на основе TiO₂ (5,8% против 11.2%). Но исследователи не унывают и продолжают совершенствовать структуру анода из ZnO, в частности за счет увеличения площади поверхности.

По этому пути пошел международный колектив исследователей, который предложил метод получения «древообразных» структур ZnO (рис. 1). В отличие от существующих массивов наностержней ZnO (в которых благодаря одномерной структуре снижается вероятность рекомбинации), предложенная авторами статьи структура обладает гораздо более развитой поверхностью, и тем самым способна увеличить эффективность преобразования энергии по сравнению с существующими анодными материалами.

Рис. 1.

Ученые разделили процесс синтеза на две стадии – рост «стволов» (LG) и рост «веток» (BG) (рис. 2). Для роста стволов авторы статьи приготовили затравки наноточек ZnO на подложке FTO (диоксид олова, допированный фтором). После этого подложка с затравками была погружена в раствор нитрата цинка, уротропина и политиленимина при температуре 65–95^oС на 3–7 часов. После этого излишки полимера были удалены промыванием в дистиллированной воде. Повторяя гидротермальный процесс несколько раз, можно получить «стволы» необходимой высоты. Однако, если после формирования «ствола» подвергнуть массив гидротермальной обработке в жестких условиях (350^oС в течение 10 минут), снова добавить затравки наноточек ZnO и затем вновь подвергнуть массив гидротермальной обработке, то вместо роста «ствола» будет наблюдаться рост «веток». Комбинируя процессы роста «стволов» и «веток», ученым удалось получить «нанолеса» необходимой высоты и густоты (рис. 3).

Рис. 2. На рисунке схематически изображены основные стадии синтезы «древоподобных» наноструктур.

Рис. 3. Микрофотографии «нанолесов» ZnO, полученные методом СЭМ.

Авторы статьи сравнили физические характеристики различных полученных ими солнечных батареи (в качестве красителя используется комплекс рутения N719) на основе массивов, которые сведены в таблице (рис. 4). Нетрудно заметить, что с ростом длины «стволов», а также с увеличением густоты «нанолеса» эффективность преобразования энергии, как и предполагалось, растет (в первом случае за счет уменьшения вероятности рекомбинации, а во втором за счет увеличения количества адсорбированного красителя). Хотя полученные величины все еще весьма далеки от приемлемых, тем не менее, в данной статье ученым удалось продемонтрировать пятикратный рост эффективности преобразования энергии при переходе от одномерных до «древовидных» структур ZnO, что может быть весьма полезным для дальнейших исследований.

Рис. 4. В таблице сведены основные физические характеристики солнечных батарей, на основе полученных «нанолесов» ZnO.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Seung Hwan Ko, Daeho Lee, Hyun Wook Kang, Koo Hyun Nam, Joon Yeob Yeo, Suk Joon Hong, Costas P. Grigoropoulos, and Hyung Jin Sung Nanoforest of Hydrothermally Grown Hierarchical ZnO Nanowires for a High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cell. – Nano Lett., Article ASAP; DOI: 10.1021/nl1037962; Publication Date (Web): January 5, 2011.