摻雜ZnO光學(xué)性質(zhì)及染料敏化太陽(yáng)能電池研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV。這些特性使得ZnO在發(fā)光二極管、高性能熒光粉、半導(dǎo)體激光器、紫外探測(cè)器等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。大量的研究者就ZnO的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，然而其發(fā)光機(jī)理至今仍然存在著很大的爭(zhēng)議。此外，為了實(shí)現(xiàn)ZnO基白光LED，三基色的發(fā)射是必需的。很多研究者試圖通過(guò)摻雜來(lái)達(dá)到這個(gè)目的，其中稀土的摻雜備受人們的關(guān)注。然而，至今仍然還沒(méi)有找到合適的摻雜來(lái)實(shí)

2、現(xiàn)三基色的同時(shí)發(fā)射，稀土摻雜ZnO的發(fā)光機(jī)理及能量傳遞過(guò)程也處于爭(zhēng)論之中。本文中，我們針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了以下兩方面的研究。 (1)運(yùn)用溶膠凝膠法制備了ZnO及ZnO:Fe薄膜，詳細(xì)研究了其光學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所制備薄膜致密且表面平整，顆粒大小均勻，通過(guò)紫外可見(jiàn)透過(guò)光譜發(fā)現(xiàn)其在可見(jiàn)光區(qū)具有較高的透過(guò)率。Fe摻雜后薄膜結(jié)晶性變差。光學(xué)帶隙隨Fe摻雜量的增多而逐漸變大，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了經(jīng)驗(yàn)公式。另外，光致發(fā)光圖譜研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e的

3、摻雜能夠有規(guī)律的調(diào)制其發(fā)光性質(zhì)，未摻雜的樣品為綠光發(fā)射，摻雜量為0.03和0.051的樣品為綠光.橙光發(fā)射，摻雜量為0.072和0.094的樣品為藍(lán)光發(fā)射。我們?cè)敿?xì)研究了其內(nèi)在的機(jī)理，并給出了其各個(gè)發(fā)光峰的來(lái)源。帶隙的規(guī)律改變對(duì)ZnO基量子阱能帶工程具有指導(dǎo)意義，而可調(diào)制的發(fā)光特性在ZnO基光電器件就白光發(fā)射方面具有廣闊的應(yīng)用前景。 (2)運(yùn)用自組裝的方法成功制備了形狀規(guī)則的ZnO及ZnO:Eu納米球，分析了納米球的形成機(jī)理，全

4、面探索了Eu離子在ZnO中的占位及發(fā)光機(jī)理。本文中，結(jié)合選區(qū)電子衍射圖譜和掃描電鏡結(jié)果，給出了兩步法制備ZnO納米球的形成機(jī)理。通過(guò)在不同氣氛(空氣、氧氣、氬氣及氫氣和氬氣的混合氣體(H2/Ar+H2=5/100))下退火，詳細(xì)研究了ZnO納米球各發(fā)光峰的來(lái)源：綠光來(lái)源于氧空位而橙光和紅光則來(lái)源于表面態(tài)。我們制備了ZnO:Eu的納米球，發(fā)現(xiàn)Eu離子分別占據(jù)著ZnO中的三種位置：替位、間隙和表面/亞表面吸附。其發(fā)光過(guò)程中的能量傳遞則與替位

5、缺陷和填隙鋅缺陷有著密切的關(guān)系。此外，通過(guò)Eu摻雜，實(shí)現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的近白光發(fā)射。文中我們首次給出了兩步法制備ZnO納米球的形成機(jī)理，其結(jié)果在ZnO的可控生長(zhǎng)、元素的摻雜及光子晶體方面的具有重要的意義。稀土摻雜ZnO中稀土離子的占位及發(fā)光機(jī)理一直處于爭(zhēng)議中，本文通過(guò)對(duì)ZnO:Eu發(fā)光性質(zhì)的研究，對(duì)此問(wèn)題給出了詳細(xì)的解釋，為制備高效ZnO熒光粉提供了依據(jù)。 隨著世界能源的日益緊張，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始投身于太陽(yáng)能電池的研究中。其中染

6、料敏化太陽(yáng)能電池以其成本低、制作工藝簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高而被認(rèn)為是將來(lái)Si基太陽(yáng)能電池的替代品。本文就染料敏化太陽(yáng)能電池方面進(jìn)行了以下幾方面的工作。 (1)詳細(xì)研究了ZnO球基染料敏化太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)、存在的問(wèn)題及解決辦法。文中我們用自組裝和蒸發(fā)溶劑煅燒的方法分別制備了ZnO納米球和ZnO納米顆粒。將ZnO納米球和納米顆粒分別運(yùn)用到染料敏化太陽(yáng)能電池中，相比較ZnO顆粒組裝的電池，ZnO球基的轉(zhuǎn)化效率明顯提高，我們將其歸結(jié)為光

7、散射的增加。另外一方面，ZnO球基電池的填充因子則顯著降低。為了研究其原因，我們分別做了兩方面的工作：在不同的氣氛中退火和引入阻擋層。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧氣中退火后使得光陽(yáng)極的缺陷態(tài)明顯降低，從而改善了電池的性能。阻擋層的引入能夠更加明顯的改善電池的性能，這歸因于半導(dǎo)體膜與FTO之間界面電阻的改善和FTO與電解液之間復(fù)合的抑制。此研究結(jié)果對(duì)發(fā)展高效率的ZnO基染料敏化太陽(yáng)能電池具有重要的作用。 (2)針對(duì)當(dāng)前制備染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極

8、復(fù)雜的步驟，我們將已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的電噴涂方法引入到光陽(yáng)極的制備中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法成本低廉，制作步驟簡(jiǎn)單。從而符合染料敏化太陽(yáng)能電池工業(yè)化生產(chǎn)的要求。然而，所制備薄膜與FTO間低劣的附著性阻礙了該方法的引進(jìn)。通過(guò)在電噴涂溶液中加入乙醇胺，成功的制備了性能優(yōu)良的半導(dǎo)體膜，其孔隙率高、顆粒尺寸均勻、透光性優(yōu)異、附著性良好。顆粒的尺寸可以通過(guò)改變乙醇胺的添加量來(lái)調(diào)整。此外，運(yùn)用光致發(fā)光測(cè)試手段，深入的分析了光陽(yáng)極中的缺陷性質(zhì)，結(jié)合