有序ZnO納米棒陣列的構(gòu)筑、界面調(diào)控及其在ZnO-Cu2O光伏電池中的應用.pdf

1、目前，制約光伏發(fā)展的瓶頸在于能量償還成本上，而在廉價光伏材使用中，光生少數(shù)載流子擴散距離較短是引起載流子分離、收集效率低下的主要原因。隨著納米科技的發(fā)展人們寄希望于通過構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)來提高載流子分離和收集效率，優(yōu)化器件光伏性能。構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)，例如，引入納米棒、納米錐、納米多孔陣列復合結(jié)構(gòu)，可以增加異質(zhì)結(jié)界面面積，增加載流子分離通道，從而改善載流子的分離和收集效率。其中，利用納米棒陣列復合結(jié)構(gòu)構(gòu)筑徑向的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以在不犧牲光吸收的基

2、礎上減小載流子的分離距離，以提高光生載流子的分離效率，因此在廉價光伏材料的使用上具有良好的應用潛力。但是，目前所構(gòu)筑的納米棒復合結(jié)構(gòu)光伏電池還存在著諸多問題，例如，所使用的納米棒陣列密度太大，取向雜亂等等，進一步提高光伏器件性能需要對納米棒陣列幾何參數(shù)進行優(yōu)化。在本文中，我們選擇 ZnO納米棒陣列復合薄膜為研究體系，構(gòu)筑ZnO/Cu2O復合結(jié)構(gòu)光伏電池，并通過對其幾何參數(shù)設計及其表面性能、以及納米棒與吸收層的光電荷轉(zhuǎn)移等方面進行深入的研

3、究和了解。主要研究內(nèi)容可以分為以下幾個部分：
　　(1)利用圖案化技術制備間隙可調(diào)的高度有序ZnO納米棒陣列：利用電子束曝光技術制備圖案化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板，利用厚度更大的周期性PMMA孔洞模板代替以往工作中較薄的PMMA掩模。在ZnO納米棒生長過程中，通過PMMA孔洞模板的限制作用來控制ZnO納米棒的生長位點和生長方向，利用超高濃度的前驅(qū)體溶液來增加納米棒縱向生長速度，解決納米棒在孔洞中成簇生長的問題，最后成功制

4、備了單根的周期性有序ZnO納米棒陣列。在本工作中，打破了單根有序ZnO納米棒生長對單晶基底要求，實現(xiàn)了普通多晶導電ITO基底上有序ZnO納米棒陣列的制備。電學測試研究表明所制備的有序ZnO納米棒陣列與ITO基底具有良好的歐姆接觸特性，這為有序ZnO納米棒陣列在光電器件方面的應用提供了條件。
　　(2)利用恒電位-恒電流兩步沉積法制備Cu2O薄膜，并研究ZnO納米棒-Cu2O復合薄膜光伏器件性能：利用電沉積技術在導電基底上成功的制備

5、了Cu2O薄膜，并研究了薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)、光電及表面光伏性質(zhì)。通過對Cu2O的光吸收深度和載流子擴散長度等參數(shù)的對比分析，揭示了制約雙層平面結(jié)構(gòu)ZnO/Cu2O電池性能提高的主要因素。利用恒電流-恒電位兩步沉積法制備Cu2O吸收層薄膜，克服了恒電位沉積時，在初始短時間內(nèi)的沉積電位過高而引入Cu雜相的問題以及恒電流沉積時隨著時間的增加沉積電流減小問題。制備無序ZnO納米棒-Cu2O復合結(jié)構(gòu)薄膜光伏電池，在ZnO納米棒周圍構(gòu)筑徑向異質(zhì)結(jié)的高

6、載流子收集區(qū)域，在這個區(qū)域的輔助下，復合薄膜電池可以獲得更大的短路電流和能量轉(zhuǎn)化效率，但也表現(xiàn)出較低的開路電壓，這主要是由于復合結(jié)構(gòu)引入了較大的載流子界面復合造成的。為了減弱界面復合對電池性能的影響，同時提高ZnO納米棒間隙Cu2O吸收層的填充量，我們制備了與Cu2O電子擴散長度相匹配的有序ZnO納米棒陣列，然后在上邊沉積Cu2O吸收層，構(gòu)筑有序納米棒復合薄膜光伏器件。有序納米棒復合薄膜電池表現(xiàn)出了更大的短路電流和接近雙層平面結(jié)構(gòu)電池的

7、開路電壓，最后可以得到較雙層平面結(jié)構(gòu)和無序納米棒復合薄膜結(jié)構(gòu)電池都高的能量轉(zhuǎn)化效率。因此，我們認為優(yōu)化納米棒密度是提高納米棒復合薄膜光伏器件的一個有效途徑。
　　(3)進行ZnO/Cu2O界面調(diào)控，提高異質(zhì)結(jié)質(zhì)量：在配置好的Cu2O沉積溶液中溶解ZnO粉末并使之飽和形成緩沖溶液，利用緩沖溶液沉積Cu2O吸收層來降低堿性沉積溶液對ZnO表面的刻蝕問題，從而來提高異質(zhì)結(jié)質(zhì)量，降低異質(zhì)結(jié)界面態(tài)密度。最后在緩沖溶液中制備的Cu2O電池具有

8、更大短路電流、開路電壓以及填充因子，電池能量轉(zhuǎn)換效率可以達到0.76％。對異質(zhì)結(jié)理想因子的分析說明器件性能的改善是由異質(zhì)結(jié)界面優(yōu)化引起的。因此，我們認為通過緩沖溶液法優(yōu)化電沉積Cu2O/ZnO界面質(zhì)量是提高光伏器件性能的有效方法。
　　本論文的創(chuàng)新點主要包括：
　　(1)在非外延多晶導電基底上制備了周期性有序ZnO納米棒陣列，克服了制備垂直基底的ZnO納米棒陣列對單晶基底要求；
　　(2)通過恒電位-恒電流兩步沉積法制