ZnO納米線陣列的構筑、界面調(diào)控及其光電應用.pdf

1、陣列化納米結構可以為光生電子-空穴對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構在光伏器件領域受到廣泛關注。其中,纖鋅礦結構的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)以及機械和熱學上的穩(wěn)定性,被認為是最有前途的光電功能材料之一。在過去幾年中,國際、國內(nèi)研究者利用ZnO納米結構(如納米線、納米棒、納米環(huán)和納米管)在光伏領域開展了大量的研究工作。就目前的研究結果來看

2、,基于ZnO納米結構的太陽電池,其填充因子Fill Factor(FF)和開路電壓Voc還遠低于它們各自所對應的傳統(tǒng)平面結構的太陽能電池。在這種納米陣列結構中,較低的FF和Voc意味著其電荷的最終收集效率低于傳統(tǒng)結構太陽電池的收集效率,主要原因在于:(1)傳統(tǒng)量子點敏化ZnO納米線陣的方式使得量子點的擔載量有限,且均一性較差;(2)低溫水熱生長技術的特點使得ZnO納米線陣列表面存在大量的載流子復合中心,納米尺度下這種表面態(tài)和界面態(tài)會嚴重

3、影響光生載流子的分離和傳輸特性;(3)傳統(tǒng)無序ZnO種子層生長的ZnO納米線陣列結構往往難以保證納米線嚴格地垂直基底生長,相互交叉的ZnO納米線會導致其他半導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)結構。針對上述問題,我們開展了以下三個方面的研究工作:
　　一、CdSNPs/ZnONWs復合結構的化學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,然后用化學水浴法將 CdS

4、量子點(QDs)沉積在所制備的ZnONWs上,構筑了CdSNPs/ZnONWs半導體異質(zhì)結構。I-V測試結果表明:與單一的ZnONWs陣列相比,CdSNPs/ZnO異質(zhì)結構的光電流增加約兩個數(shù)量級;表面光電壓譜(SPS)測試結果表明:其光電響應范圍與其吸收結果相對應向長波區(qū)域擴展,并且其強度也得到較大程度的提高;并研究了不同CdSNPs沉積時間對表面光電壓響應的影響。
　　二、離子交換法構筑ZnxCd1-xSe@ZnO核殼納米線陣

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

6、在此基礎上,研究了不同背電極(Cu2S、PbS和Cu2ZnSnS4)材料的催化活性對其光電轉換效率的影響。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納米墻結構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％的光電轉換效率。
　　三、納米球模板組裝技術(NSL)定點生長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