ZnO納米線陣列的構(gòu)筑、界面調(diào)控及其光電應(yīng)用.pdf

1、陣列化納米結(jié)構(gòu)可以為光生電子-空穴對(duì)提供必需的分離界面,并為分離后的光生載流子提供直接的傳輸通道,這使得陣列化納米結(jié)構(gòu)在光伏器件領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。其中,纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO因其具有較大的帶隙(3.36eV)、室溫下較高的激子束縛能(60 mV)以及機(jī)械和熱學(xué)上的穩(wěn)定性,被認(rèn)為是最有前途的光電功能材料之一。在過去幾年中,國(guó)際、國(guó)內(nèi)研究者利用ZnO納米結(jié)構(gòu)(如納米線、納米棒、納米環(huán)和納米管)在光伏領(lǐng)域開展了大量的研究工作。就目前的研究結(jié)果來看

2、,基于ZnO納米結(jié)構(gòu)的太陽電池,其填充因子Fill Factor(FF)和開路電壓Voc還遠(yuǎn)低于它們各自所對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)的太陽能電池。在這種納米陣列結(jié)構(gòu)中,較低的FF和Voc意味著其電荷的最終收集效率低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽電池的收集效率,主要原因在于:(1)傳統(tǒng)量子點(diǎn)敏化ZnO納米線陣的方式使得量子點(diǎn)的擔(dān)載量有限,且均一性較差;(2)低溫水熱生長(zhǎng)技術(shù)的特點(diǎn)使得ZnO納米線陣列表面存在大量的載流子復(fù)合中心,納米尺度下這種表面態(tài)和界面態(tài)會(huì)嚴(yán)重

3、影響光生載流子的分離和傳輸特性;(3)傳統(tǒng)無序ZnO種子層生長(zhǎng)的ZnO納米線陣列結(jié)構(gòu)往往難以保證納米線嚴(yán)格地垂直基底生長(zhǎng),相互交叉的ZnO納米線會(huì)導(dǎo)致其他半導(dǎo)體材料在納米棒之間空隙填充的困難,難以形成理想的、完全的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。針對(duì)上述問題,我們開展了以下三個(gè)方面的研究工作:
　　一、CdSNPs/ZnONWs復(fù)合結(jié)構(gòu)的化學(xué)水浴和低溫水熱法制備及其光電性能:首先利用低溫水熱法制備了ZnO納米線(NWs)陣列,然后用化學(xué)水浴法將 CdS

4、量子點(diǎn)(QDs)沉積在所制備的ZnONWs上,構(gòu)筑了CdSNPs/ZnONWs半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。I-V測(cè)試結(jié)果表明:與單一的ZnONWs陣列相比,CdSNPs/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電流增加約兩個(gè)數(shù)量級(jí);表面光電壓譜(SPS)測(cè)試結(jié)果表明:其光電響應(yīng)范圍與其吸收結(jié)果相對(duì)應(yīng)向長(zhǎng)波區(qū)域擴(kuò)展,并且其強(qiáng)度也得到較大程度的提高;并研究了不同CdSNPs沉積時(shí)間對(duì)表面光電壓響應(yīng)的影響。
　　二、離子交換法構(gòu)筑ZnxCd1-xSe@ZnO核殼納米線陣

5、列結(jié)構(gòu)及其光電性能:通過水熱生長(zhǎng)和離子交換反應(yīng),在FTO導(dǎo)電襯底上制備了組分連續(xù)可調(diào)的ZnxCd1-xSe@ZnO核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列。表面光電壓譜結(jié)果表明:其光電響應(yīng)范圍可隨著殼層組分的變化擴(kuò)展到可見光區(qū),并且其響應(yīng)強(qiáng)度逐步增加,這是由于表面形成的II型異質(zhì)結(jié)構(gòu),使得其光生電子-空穴對(duì)的分離和傳輸能力得到提高;以ZnxCd1-xSe@ZnO作為量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光陽極,在多硫電解質(zhì)體系中評(píng)價(jià)了不同離子交換溫度對(duì)其光電轉(zhuǎn)換能力的影響;

6、在此基礎(chǔ)上,研究了不同背電極(Cu2S、PbS和Cu2ZnSnS4)材料的催化活性對(duì)其光電轉(zhuǎn)換效率的影響。得益于ZnxCd1-xSe@ZnO核殼納米線陣列較高的光生載流子的分離和傳輸效率以及Cu2S納米墻結(jié)構(gòu)背電極較高的催化能力,在多硫電解質(zhì)體系中得到了1.70％的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　三、納米球模板組裝技術(shù)(NSL)定點(diǎn)生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列:為提高ZnO納米線陣列的有序性,利用磁控濺射和離子束濺射方法制備了取向性較好的ZnO種子層