一維TiO2與ZnO納米陣列的設(shè)計、制備及性能研究.pdf

1、納米有序陣列，尤其是在透明導(dǎo)電基底上制備的無支撐自立納米棒與納米管有序陣列可在多種器件上進(jìn)行應(yīng)用。當(dāng)將納米陣列用于光伏器件時，這些結(jié)構(gòu)可以增加電荷生成層與電荷傳遞層之間的界面面積，提高提取電荷的效率。本論文選取TiO2與ZnO兩種目前研究最廣泛的寬禁帶金屬氧化物半導(dǎo)體材料，通過不同技術(shù)手段制備了TiO2與ZnO的納米棒與納米管陣列，研究探討了這些納米陣列在納米器件領(lǐng)域，尤其是在有機-無機雜化太陽能電池器件領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　在ITO

2、玻璃表面磁控濺射Al層，然后陽極氧化可制得多孔陽極氧化鋁（AAO）膜/ITO玻璃復(fù)合模板。為了避免陽極氧化過程中 AAO膜的破裂和脫落，在濺射高純A l前，添加了Ti和W層分別作為連接層和緩沖層。磁控濺射后，通過熱處理消除了濺射層的內(nèi)應(yīng)力，改善了各濺射層之間的結(jié)合力。在陽極氧化過程中，當(dāng)發(fā)展較快的孔洞到達(dá)Al層底部時，會氧化底部的W緩沖層，對孔洞的快速發(fā)展起到緩沖作用，從而延緩了AAO膜底部的破裂和脫層，使大面積納米孔洞陣列得以生成。<

3、br>　　采用溶膠-凝膠電泳法在AAO/ITO復(fù)合模板內(nèi)填充TiO2納米棒與納米管有序陣列，電泳法制備的TiO2納米結(jié)構(gòu)隨TiO2溶膠陳化時間的延長，由納米棒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米管結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在AAO模板孔洞底部的環(huán)狀W電極是形成不同結(jié)構(gòu)的前提，而溶膠溶液中帶電粒子的擴散速度和納米陣列的沉積速度的競爭則是形成不同結(jié)構(gòu)的原因。將制備的TiO2納米陣列與p型聚合物聚3-己基噻酚（P3HT）結(jié)合，制成TiO2納米陣列/P3HT無機-有機雜化太陽

4、能電池。納米棒和納米管太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別是0.38％和0.48%。相比文獻(xiàn)中類似方法制備的TiO2納米晶結(jié)構(gòu)雜化太陽能電池0.22%的轉(zhuǎn)換效率，本文中制備的TiO2納米棒與納米管陣列太陽能電池效率提高了約73%到118%的效率，顯示了納米有序陣列結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)勢。
　　通過磁控濺射、熱處理二步法在獨立AAO模板上制備出TiO2納米陣列。AAO模板參數(shù)對TiO2的納米結(jié)構(gòu)具有決定作用，200 nm的孔徑導(dǎo)致納米管結(jié)構(gòu)的生成，

5、80 nm孔徑的雙面開孔模板導(dǎo)致納米棒結(jié)構(gòu)的生成，而80 nm的單孔模板導(dǎo)致閉口納米管的生成。XRD分析顯示TiO2納米管陣列為多晶銳鈦礦結(jié)構(gòu)，光致發(fā)光（PL）譜分析發(fā)現(xiàn)制備的納米管與納米棒陣列都為間接帶隙半導(dǎo)體，納米棒中的氧空位缺陷多于納米管結(jié)構(gòu)。將TiO2納米管陣列層從AAO模板脫離，轉(zhuǎn)移到ITO玻璃上，旋涂一層P3HT，組成TiO2納米管/P3HT雜化太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)，具有TiO2結(jié)合層結(jié)構(gòu)的TiO2納米管/P3HT雜化太陽能

6、電池性能比無結(jié)合層的電池顯著提高，光電轉(zhuǎn)換效率提高了8倍，達(dá)到0.34%。而采用n型富勒烯衍生物PCBM與P3HT充分混合后，由于電子-空穴對的有效分離，短路電流密度提高了近5倍，達(dá)到9.98 mA cm-2；光電轉(zhuǎn)換效率提高了近6倍，達(dá)到2.07%。
　　利用電沉積、熱處理二步法在AAO模板中制備出了ZnO納米管陣列和Cu@ZnO納米同軸電纜陣列。在光致發(fā)光測試中，Cu@ZnO納米同軸電纜被激發(fā)出綠光發(fā)射帶，說明在Cu@ZnO納

7、米同軸電纜界面處的ZnO被 Cu摻雜。還將獨立 AAO模板上的ZnO納米陣列合成技術(shù)轉(zhuǎn)移到AAO/ITO復(fù)合模板，在ITO玻璃上制備出ZnO納米棒與納米管有序陣列, ZnO有序陣列的載流子密度約為2.67×1020 cm-3，在透明導(dǎo)電氧化物領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
　　通過一步電沉積法在ITO導(dǎo)電玻璃上制得ZnO納米棒陣列。在溫度為55℃時，得到的是致密的ZnO膜，而在85℃時，得到的是ZnO納米棒陣列，說明ZnO膜的形貌取決于

8、沉積溫度。用85℃電沉積得到的ZnO納米棒陣列組裝的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Ag太陽能電池具有與ZnO納米棒陣列共型形貌。對于未退火ZnO納米棒陣列制備的太陽能電池，暴露在ZnO底部的主導(dǎo)缺陷區(qū)與共混聚合物直接接觸，導(dǎo)致了嚴(yán)重的電流泄露。而通過退火消除ZnO底部暴露在外的缺陷，以及通過沉積更致密的ZnO納米棒來阻止共混聚合物與主導(dǎo)缺陷區(qū)的接觸都可以有效避免電流的泄露，從而進(jìn)一步提高電池的開路電壓。由于P3HT與PCBM的混合