ZnO基Ⅱ型同軸納米線可控合成及其光伏應(yīng)用.pdf

1、近來，由于持續(xù)增長的能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)意識，光伏器件已成為一個熱門的課題。許多研究都集中在如何提升這類使用氧化物半導(dǎo)體，如ZnO，TiO2的太陽能電池和光電化學(xué)電池(PEC)的效率上。這些氧化物半導(dǎo)體有這大且固定的帶隙，使得它們都不能有效地吸收太陽光的可見光區(qū)域，從而導(dǎo)致電池效率低下。一個可選的策略是在納米線外包裹一層窄帶隙半導(dǎo)體，例如ZnSe，CdSe，CdS，PbSe和ZnCdSe，應(yīng)用這個方法已經(jīng)把材料的吸收拓展至可見光區(qū)域。由于

2、光俘獲范圍有限以及光激發(fā)電子注入效率低等原因，大部分的這種核殼結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)都較低。相比起二元材料，通過控制組分，三元合金ZnCdSe具有帶隙可調(diào)的優(yōu)點，這點可用于獲得更高吸收和更合適的能帶結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率的提升。盡管有著這些優(yōu)點，ZnxCd1-xSe殼層的低晶體質(zhì)量會降低電池效率。人們投入了很多的努力在提高晶體質(zhì)量和優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)。然而，由于組分不易控制，鮮有直接利用CVD方法制備合金殼層的報道。
　　本文利用

3、化學(xué)氣相沉積法(CVD)直接制備了ZnO，ZnO/ZnSe，ZnO/CdSe，ZnO/ZnxCd1-xSe同軸納米線。此外，通過實驗表征這些納米線來研究它們的形貌，結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。在上述核/殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制作了太陽能電池并評估了電池的光伏性能。
　　本文主要結(jié)果如下所示:
　　(1)使用CVD方法在AZO襯底上制備出了垂直有序排列的ZnO納米線陣列。掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射譜(XRD)的表征測試結(jié)果顯示ZnO納米

4、線優(yōu)先生長擇向為纖鋅礦結(jié)構(gòu)的(001)方向。深紫外-可見光透射譜和光致發(fā)光譜(PL)表明了ZnO納米線陣列有這較好的晶體質(zhì)量。
　　(2)使用CVD方法在ZnO納米線陣列的表面沉積了ZnSe和CdSe殼層。通過改變生長條件，如生長時間、源材料和襯底之間的距離，可以控制殼層的尺寸。形貌和結(jié)構(gòu)的研究證實在ZnO核的外側(cè)形成了殼層。透射譜顯示通過增加窄帶隙半導(dǎo)體作為殼層材料，如ZnSe或者CdSe，吸收邊能被最大化延伸至可見光區(qū)域。

5、r>　　(3)使用共蒸發(fā)CVD法制備了殼層組分可調(diào)的ZnO/ZnxCd1-xSe同軸納米線。為了控制殼層的形貌與結(jié)構(gòu)，我們對不同的生長條件進(jìn)行了研究。三元合金ZnCdSe殼層的組分可以通過改變源和襯底之間的距離來調(diào)控。XDR結(jié)果顯示殼層的結(jié)構(gòu)由閃鋅礦(ZB)漸變?yōu)槔w鋅礦(WZ)，隨著Zn含量的減少，ZnCdSe合金的特征峰位移動至更小的角度，這進(jìn)一步證實了組分的變化。透射電子顯微鏡(TEM)顯示了在ZnO/Zn0.51Cd0.49Se中

6、生長了一層共格的纖鋅礦界面層。共格層能抑制晶相轉(zhuǎn)變，這有利于降低適配應(yīng)力和提高晶體質(zhì)量。透射譜分析表明納米線的有效帶隙能通過調(diào)控組分降低到2.67 eV到1.74 eV。
　　(4)我們使用了ZnO/ZnSe，ZnO/CdSe和ZnO/ZnCdSe核/殼納米線陣列組裝了太陽能電池并測試了電池的光伏性能。I-V特性顯示了ZnO/Zn0.51Cd0.49Se納米線電池效率最高，為3.68％，對應(yīng)的短路電流(Jsc）為13.64 mA，