利用納米壓印技術(shù)構(gòu)筑圖案化氧化鋅納米棒陣列及其光電性質(zhì)研究.pdf

1、對(duì)于高性能的太陽(yáng)能電池或其它的光電器件來(lái)說(shuō)如何設(shè)計(jì)和調(diào)控具有光捕獲能力的類(lèi)光子晶體微納結(jié)構(gòu)來(lái)提高器件的性能具有十分重要的意義,因此利用一些微納加工技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)筑具有可調(diào)節(jié)光吸收帶隙的微納結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)展太陽(yáng)能電池在不同波段的光吸收作用從而提高器件的性能具有很好的應(yīng)用前景。在當(dāng)前的微納加工技術(shù)中,納米壓印技術(shù)因其具有高效率、大面積、低成本等優(yōu)點(diǎn)而獲得了廣泛的關(guān)注。但在納米壓印過(guò)程中,壓印所需的模板一般由電子束刻蝕技術(shù)構(gòu)筑得到,其制備成本較高,

2、限制了納米壓印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。
　　本論文以自組裝聚苯乙烯微球(Polystyrene microspheres,簡(jiǎn)稱(chēng)PS微球)有序納米結(jié)構(gòu)為模板,構(gòu)筑了聚二甲基硅氧烷(Polydimethyl meth siloxane,簡(jiǎn)稱(chēng)PDMS)納米印章有效的解決了納米壓印過(guò)程中模板制備困難的問(wèn)題。然后利用納米壓印技術(shù)結(jié)合磁控濺射技術(shù)構(gòu)筑了具有陷光作用的半球形氧化鋅納米圓頂陣列。用低溫水熱生長(zhǎng)的方法制備了功能化的半球形氧化鋅納米棒

3、陣列,通過(guò)控制水熱生長(zhǎng)溫度和前驅(qū)體溶液的濃度來(lái)控制半球形氧化鋅納米棒陣列的周期性,從而得到了具有可調(diào)節(jié)光吸收帶隙的氧化鋅納米結(jié)構(gòu);最后對(duì)這種結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)以及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用做了初步的探索。本文主要開(kāi)展了以下幾方面的工作:
　　1、利用液面自組裝法制備PS微球模板,用PDMS印章復(fù)制單層PS微球表面結(jié)構(gòu),利用制備的PDMS模板進(jìn)行納米壓印,然后在壓印好的聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate,

4、簡(jiǎn)稱(chēng)PMMA)半球結(jié)構(gòu)表面磁控濺射一層氧化鋅種子層,利用低溫水熱法對(duì)樣品進(jìn)行水熱生長(zhǎng),通過(guò)控制水熱反應(yīng)的前驅(qū)體濃度和反應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)控氧化鋅納米棒陣列的間距和密度。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)和紫外-可見(jiàn)(UV-Vis)吸收光譜對(duì)半球形氧化鋅納米棒陣列的形貌和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示,制備的半球形氧化鋅納米棒陣列在可見(jiàn)區(qū)(450nm到640nm)具有光捕獲效應(yīng)。通過(guò)控制水熱過(guò)程中的前驅(qū)體的濃度和反應(yīng)時(shí)間,很容易的

5、調(diào)控周期性的半球形ZnO納米棒陣列的間距和密度。同時(shí),在可見(jiàn)光區(qū)域的光捕獲效果可以從450nm、64nm調(diào)節(jié)到480nm、650nm,這與半球形ZnO納米棒陣列的周期性相關(guān)。
　　2、對(duì)制備的半球形氧化鋅納米棒陣列進(jìn)行了光電性質(zhì)的研究,研究了該結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽(yáng)能電池的效率。將這種結(jié)構(gòu)高溫退火,用染料N719浸泡后進(jìn)行效率的測(cè)試,發(fā)現(xiàn)與半球形的氧化鋅種子層相比,經(jīng)過(guò)水熱生長(zhǎng)的半球形氧化鋅納米棒陣列效率有明顯的提高,但是與平膜的相同

6、水熱生長(zhǎng)條件下的樣品相比,效率不如平膜結(jié)構(gòu)。這是由于半球形氧化鋅納米棒陣列高溫煅燒后PMMA揮發(fā),使得氧化鋅納米棒和基底FTO的接觸不牢固,造成電阻太大,短路電流很低;此外氧化鋅納米棒的長(zhǎng)度較短,染料分子吸附量太小也影響了效率的提高。為了提高電荷的傳導(dǎo)性能,我們考慮在PMMA結(jié)構(gòu)上面構(gòu)筑金導(dǎo)電層,然后再磁控濺射氧化鋅種子層進(jìn)行水熱生長(zhǎng),對(duì)構(gòu)筑了金層的氧化鋅納米棒陣列的光電性質(zhì)進(jìn)行了研究,通過(guò)觀察它的I-V特性曲線(xiàn),發(fā)現(xiàn)隨著前驅(qū)體濃度的變

7、大和生長(zhǎng)時(shí)間的增加,暗電流和光電流都有所提高。
　　3、考慮到貴金屬不僅會(huì)增加電荷的傳輸通道,在與圖案化結(jié)構(gòu)相結(jié)合時(shí)還具有等離子體共振效應(yīng)。因此,我們對(duì)金納米圓頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光學(xué)性質(zhì)研究。利用磁控濺射技術(shù)在納米圓頂陣列上面濺射不同時(shí)間的金層,通過(guò)對(duì)其吸收光譜的研究,觀察到有兩個(gè)吸收峰的存在,其中一個(gè)是金本身的特征峰,其波長(zhǎng)大約在590nm處;另一個(gè)吸收峰大約在880nm到890nm之間,有向短波方向移動(dòng)的趨勢(shì),這個(gè)峰是由于等離子共振