由于地球上煤、石油和天然气等自然资源的有限可用性，自发明太阳能电池以利用清洁太阳能以来，研究人员进行了深入而广泛的研究.太阳能电池的使用减少了排放到大气中的有害化学物质，将有助于满足当前的能源需求，同时也减少了碳排放。

研究人员研究了氧化锆因为其优异的物理、光学和化学性质，例如具有高介电常数、高熔点、化学稳定性、低电导率和生物相容性，根据可获得的文献，报道的ZrO的带隙材料约为5.6±0.2电子伏.氧化锆的三种多晶型随着温度的升高，氧化锆发生从单斜到四方和立方的相变，导致更高的对称性。

在过去的几十年里，族纳米晶体半导体因其具有块体形式所不具备的显著特征而被广泛应用。纳米颗粒具有非常大的表面积-体积比并且人们可以通过不同的薄膜沉积方式调节颗粒尺寸和形状来合成这些材料用于特定的研究和应用，这导致低于一定尺寸的量子尺寸效应.块状CdS颗粒具有2.42 eV的直接带隙.低于或等于玻尔激子半径的粒子产生了一种新形式的系统，称为量子点(QDs ),这导致QDs的价带和导带之间的能隙分离.

量子点是具有窄带隙的纳米晶体半导体，如CdS、PbS、CdTe、CdSe等。并且这些具有关于它们的大部分的独特性质，使它们更有用。这些特性包括由于量子限制效应、多激子生成(MEG)和电子学而产生的可调能带隙，这有助于提高效率并对太阳光谱中的不同波长具有更高的吸收系数。

量子点敏化太阳能电池(qdsc)的吸收机制是:首先，入射光子将QDs价带(VB)电子激发到导带(CB)；第二，这些受激电子通过扩散过程从QD CB注入到氧化锆CB中，最终注入到FTO中，并流过外部电路，同时氧化还原电解质通过接受来自外部电路的电子再生氧化的QD.QDSSC中的电荷转移机制.

裸氧化锆通过称为SILAR的工艺，用0.02摩尔浓度的CdS和0.02摩尔浓度的硫化钠敏化多孔膜，该工艺包括首先将沉积的氧化锆膜(光阳极)浸入镉前体溶液中30秒，第二次用双蒸水(DDW)冲洗它，第三次将同一电极浸入硫前体溶液中以获得CdS 30秒，第四次用DDW冲洗它。

将硝酸镉和硫化钠溶解在25毫升DDW中。浸渍和冲洗金属氧化物膜电极的这四个阶段被称为SILAR的一个循环。用这种方法测定的硫化镉在氧化锆上的吸附浓度2通过重复执行相同的循环次数，可以进一步增加膜的厚度。

太阳能电池的光伏参数，如填充因子(FF)、短路电流密度，开路电压，输入功率，以及功率转换效率(η)在表中描述。使用等式计算如此制备的太阳能电池的光电转换效率，在本研究中，为了最大限度地减少复合损失，在清洁的透明导电玻璃基板上施加了致密阻挡层，其电阻约为30ω，并进行ZnS处理以钝化光阳极的表面，这减少了不同界面处的电子复合，并最大限度地减少了QDs/金属氧化物界面处的表面陷阱态.这也有助于减少能带偏移，从而增加电子从敏化剂的导带向氧化锆导带的扩散。

实验

本研究中用于制备电解质和反电极的光阳极沉积和敏化过程的化学品清单如下:氧化锆2纳米粉末(颗粒大小约为。45 nm)来自SRL，乙基纤维素来自SDFCL，乙酰丙酮来自HPLC，松油醇来自LC，硫化钠[Na2S]来自适马-奥尔德里奇，氢氧化钠[NaOH]来自适马-奥尔德里奇，硫磺粉来自CDH，乙醇来自CHFC，硝酸镉[Cd(NO3)2三氯化钛[TiCl3]来自LC，和醋酸锌)来自SRL，这些化学品是从制造商处收到后使用的。

0.25克氧化锆2用5 ml乙醇研磨商业纳米粉末，取几克乙基纤维素，在单独的研钵研杵中研磨10分钟，并与上述溶液混合，随后进行超声波处理。进一步加入几毫升松油醇，这有助于降低糊的表面张力，并有助于在FTO表面上均匀涂布薄膜。

将该混合物超声处理3小时，然后将0.5毫升乙酰丙酮进一步加入到制备的溶液中，再次超声处理60分钟，得到所需的氧化锆2浆糊。通过将糊状物保持在培养箱中蒸发掉多余的乙醇，直到我们得到合适的粘稠的氧化锆糊状物，这种糊状物是在300 K下制备的。

氧化锆2通过刮涂法将糊状物施加到经超声波处理的清洁基材上，即掺氟氧化锡(FTO)上，以形成所需厚度的均匀膜，随后在60℃下在培养箱中干燥该膜30分钟。借助于透明胶带层提供隔离物。在将薄膜放入高温炉之前，它们已经在培养箱中保存了几个小时，通过蒸发多余的乙醇来固化。现在，这些膜被保存在马弗炉中，在氧气环境中在450℃下退火60分钟。让薄膜在马弗炉中冷却，直到达到室温。退火膜是具有颗粒形态的白色多孔膜。

退火氧化锆的硫化镉敏化2薄膜是由SILAR完成的，这有助于在金属氧化物薄膜上均匀地沉积CdS量子点。这里，第一个烧杯含有10 mM的Cd(不3)2在25毫升双蒸水(DDW)中，第二个烧杯含有25毫升DDW，第三个烧杯含有10毫米的钠2第四个烧杯含有25毫升DDW。

将光电极浸入第一个烧杯中30秒以吸附Cd2+氧化锆上的离子2光电极，然后在第二个烧杯中冲洗30秒，以分离松散结合的Cd2+离子，再次浸入含有阴离子前体，即硫(S2−)，持续30秒与Cd反应2+离子导致CdS QDs的形成，并在第四个烧杯中漂洗30秒以除去过量的阴离子。这些步骤包括在光电极上形成CdS QD敏化光阳极的CdS量子点的一个SILAR循环。同样，进行5、10和15次SILAR循环，以在ZrO上负载不同量的CdS2薄膜。

通过将0.1 M的硫化钠溶于25 ml DDW中并研磨10分钟来制备多硫化物电解质。现在将0.4克NaOH颗粒压碎并在单独的研钵杵中研磨，随后加入0.32克硫磺粉。现在研钵杵中含有钠2s与NaOH和硫溶液混合，形成多硫化物电解质，由于硫的存在，该电解质是微黄色的，这种电解质被认为对于QDSSCs应用是高效的.

将FTO超声处理30分钟，并进一步用DDW洗涤，在蜡烛烟灰的帮助下，涂布一层炭黑膜，面积等于1cm 22被选中了。未被炭黑覆盖的反电极的剩余区域提供了背接触，以下仪器用于记录和提取样品的各种数据:波长范围为200-800纳米的紫外-可见分光光度计。

ZrO上退火氧化锆薄膜和CdS敏化薄膜的X射线衍射峰图25、10和15次SILAR循环的薄膜。图中出现的峰与JCPDS卡片编号37-1484相匹配，并证实沉积的材料是ZrO2且具有单斜相.类似地，峰与JCPDS卡号02-0563相匹配，证实了CdS材料六方相的形成，由F表示的峰对应于JCPDS卡号18-1387，这证实了掺氟氧化锡(FTO) (SnO2:F)用作基底的材料。

所制备的薄膜的紫外-可见吸收光谱清楚地显示了负载CdS的薄膜对光的吸收随着CdS的SILAR循环数的增加而增加。15个CdS/ZrO2薄膜显示了在从200到700 nm的可见波长范围内对UV中的入射光的最大吸收。

能量(eV)对如此制备的膜的吸光度图的平方。退火氧化锆的计算能带隙2薄膜，05 CdS/ZrO2薄膜，10 CdS/ZrO2薄膜和15个CdS/ZrO2薄膜分别为5.15电子伏、3.55电子伏、2.46电子伏和2.40电子伏。光吸收光谱表明，随着CdS硅周期的增加，光带隙减小，出现红移。在15 CdS/ZrO中2硫化镉在氧化锆上的聚集2导致以较小的CdS纳米颗粒为代价形成较大的CdS颗粒，从而降低光学带隙，这是本体颗粒的固有性质。

用FESEM研究了薄膜的表面形貌，显示了退火后ZrO的多孔形貌薄膜和随后的图像证实了CdS颗粒在多孔ZrO上的均匀涂覆2。薄膜退火后可见颗粒状和多孔形态，图像中可见的发白部分是氧化锆上的CdS吸附层2通过SILAR吸附CdS后的薄膜，在ZrO的表面上有CdS颗粒的聚集2更高硅周期的薄膜。

氧化锆2发现纳米颗粒直径在20和60 nm之间，平均纳米颗粒直径为39.14 nm。氧化锆的数量2取纳米颗粒样品，发现平均纳米颗粒直径为200。通过使用Image J软件收集直径数据，并绘制直方图以找到氧化锆的平均直径2纳米粒子和通过在同一软件中使用高斯分布函数。

CdS/ZrO2没有致密层的膜由于电池短路(即，在制备的ZrO中存在针孔)而表现出可忽略的效率和差的填充因子2层)，这意味着受激电子直接找到从敏化剂导带移动到FTO导带的路径。结果，发生光生电子复合损失。因此，我们必须应用致密层来减少这些损失，并为受激光电子创建一条路径，以从敏化剂导带平稳地行进到金属氧化物导带，然后到达FTO导带。

裸露的氧化锆2薄膜和CdS敏化的氧化锆2结合作为反电极的炭黑和作为电解质的多硫化物，测试光阳极，掩模面积为0.25 cm。根据表格2CdS敏化的ZrO的10个SILAR循环2薄膜显示出比05 SILAR更好的性能，这是由于更好的填充因子和在ZrO上CdS的均匀负载2电影。

在05 SILAR中，在ZrO上有较少的CdS颗粒负载2，这导致激子产生的面积较小，从而效率较低.15 CdS/ZrO上电流的降低光阳极是由于硫化镉在氧化锆表面的聚集效应2SILAR周期中的电极。这些过大的纳米颗粒可以作为有效电荷转移机制的潜在障碍。–V含氧化锆的硫化镉曲线2薄膜。最大值V指挥官和J南卡罗来纳州对于10张CdS/ZrO2太阳能电池是355毫伏和0.23毫安厘米− 2，分别观察到。

为了改善太阳能电池的参数，TiO2已应用致密层，在FTO和金属氧化物层之间具有致密层的电池显示出比没有致密层的电池好得多的填充因子值。该层有助于减少复合损失。由于光阳极和电解质之间的电子复合损失，可以看到填充因子的较低值。由于敏化剂和光阳极的导带之间的不良偏移，电流值很低。

因此，对氧化锆进行了硫化锌处理2在相同的环境下再次测试了photoanode，结果显示其性能几乎是之前的两倍。如此制备的电池的ZnS处理通过抑制各种界面处的复合损失给出了更好的光电流。为了具有更好的填充因子，该器件必须具有高的复合电阻以及光阳极和敏化剂的导带的适当偏移。

即使在15/CdS/ZrO的表面钝化之后2/CL，电流密度值较小(1.06 mA/cm2)是由于CdS在氧化锆膜上的聚集，而在10/CdS/ZrO中2/CL表面钝化后，电流密度达到最大值(1.46 mA/cm2)具有0.34的填充因子和0.46%的最高光子转换效率。

如此制备的CdS/ZrO的电化学阻抗谱(EIS)2/CL，以及如此制备的CdS/ZrO的EIS2/CL用ZnS表面钝化处理。9b.从0到30欧姆的横坐标表示金属氧化物沉积于其上的FTO的电阻。这里，第一个半圆显示多硫化物电解质/碳反电极界面处的电荷转移电阻。

因此连续的第二个半圆表示CdS/ZrO处的电阻2界面，产生较小的填充因子，从而我们得到10/CdS/ZrO的可观的填充因子2/CL光阳极。电解质和涂碳反电极处硫的清除特性的复杂化学导致太阳能电池参数的整体退化。因此，我们需要放置一个致密层，还需要减少光电子的复合损失。

原标题：二氧化锆(ZrO22)太阳能电池应用，连续离子层吸附和反应的光阳极