ZnO納米材料的制備、物性及在染料敏化太陽(yáng)能電池器件中的應(yīng)用研究

【摘要】：ZnO是透明、寬禁帶半導(dǎo)體,具有高的激子束縛能,被廣泛應(yīng)用于藍(lán)、紫外發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池等器件上。但是要實(shí)現(xiàn)在光電子器件上的應(yīng)用,有幾個(gè)問(wèn)題還待解決,一個(gè)是ZnO的p型摻雜；另一個(gè)是ZnO納米結(jié)構(gòu)的控制。本論文主要研究了三個(gè)方面的內(nèi)容： (1)最近研究表明利用氮替代ZnO中的O是實(shí)現(xiàn)p型摻雜的最好方式,但實(shí)現(xiàn)N摻雜ZnO的p型轉(zhuǎn)變?nèi)耘f很困難,另外,N摻雜ZnO樣品的拉曼光譜中的275cm-1峰的起源一直有爭(zhēng)議。為了探索以上兩個(gè)問(wèn)題,我們研究了N摻雜ZnO薄膜的光學(xué)、電學(xué)和磁性等性質(zhì)。進(jìn)而探索N摻雜ZnO薄膜中缺陷隨氮?dú)鈮旱淖兓厔?shì)以及275cm-1處拉曼峰的起源。掃描電鏡(SEM)結(jié)果表明ZnO薄膜顆粒直徑隨氮?dú)鈮旱脑黾佣鴾p小。透射光譜結(jié)果表明ZnO的能帶寬度隨氮?dú)鈮旱脑黾佣黾?這是由于N參入ZnO中,替代了O的位置造成的。PL光譜研究表明,在低的氮?dú)鈮合?樣品含有N替代O形成No受主缺陷和鋅間隙(Zni)缺陷。當(dāng)?shù)獨(dú)鈮涸龈吆?鋅間隙缺陷逐漸消失,而No受主仍能觀察到。同時(shí),X射線光電子譜(XPS)表明,No受主缺陷的數(shù)目隨氮?dú)鈮旱脑黾佣鴾p少。275cm-1處拉曼峰只有在氮?dú)鈮旱陀?0Pa時(shí)才出現(xiàn),其強(qiáng)度隨氮?dú)鈮旱脑黾佣鴾p弱,這一變化趨勢(shì)與光致發(fā)光光譜以及X射線光電子譜中所對(duì)應(yīng)的No缺陷的變化趨勢(shì)一致。電學(xué)性質(zhì)測(cè)量表明,N摻雜ZnO薄膜的電阻率、載流子濃度以及電子遷移率隨氮?dú)鈮鹤兓苊黠@。另外,我們也研究了在不同氬氣氣壓下制備的ZnO薄膜的拉曼光譜,結(jié)果進(jìn)一步表明275cm-1處拉曼光譜與N摻雜有關(guān)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看,我們認(rèn)為275cm-1處拉曼峰的起源是Zni-No復(fù)合缺陷。 (2)我們首次利用電化學(xué)方法,改變電解液中甲醇的濃度實(shí)現(xiàn)了對(duì)ZnO形貌以及物理性質(zhì)的控制。隨著電解液中甲醇濃度的增加,ZnO的形貌從薄膜逐漸變成納米片狀和納米顆粒堆積狀。X射線衍射(XRD)表明,ZnO晶體生長(zhǎng)方向隨甲醇濃度的增加從(002)方向轉(zhuǎn)變?yōu)?102)再轉(zhuǎn)變?yōu)?101)方向。同時(shí),ZnO的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)也隨著甲醇濃度的改變而改變。比如：Zn0的光學(xué)能帶從3.31eV增加到3.53eV,電阻率增加,載流子濃度減少。XPS研究表明,隨著電解液中甲醇濃度的增加,ZnO樣品中的Zn(OH)2的含量也增加,因此,ZnO的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)也隨著改變。我們也研究了ZnO形貌隨甲醇濃度改變而變化的機(jī)制。從XPS結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)隨著電解液中甲醇濃度的增加,樣品含有亞硝酸根和硝酸根離子,這種離子易吸附在ZnO的極性面(0001)面,限制這個(gè)方向的生長(zhǎng)速度,其它方向的生長(zhǎng)速度則相對(duì)增加,從而改變了ZnO的形貌。 (3)納米材料和納米技術(shù)的發(fā)展為提高太陽(yáng)能電池的效率以及降低成本提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾和技術(shù)支持。最近,對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了大量的研究并取得一定的成果。為了增加光電極的比表面積和吸收更多的光子,我們制備了三維多級(jí)結(jié)構(gòu)的ZnO,比如納米花、納米灌木叢等納米結(jié)構(gòu)。我們對(duì)ZnO納米花的形成機(jī)制以及其光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在太陽(yáng)能電池研究中,為了避免ZnO與燃料之間進(jìn)行反應(yīng),我們利用原子層沉積(ALD)方法在ZnO表面沉積了一層很薄的TiO2。為了驗(yàn)證TiO2沉積在ZnO表面,我們采用了透射電鏡和光致發(fā)光光譜技術(shù)。我們比較了以不同納米結(jié)構(gòu)的ZnO/TiO2核殼結(jié)構(gòu)為基的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的光電轉(zhuǎn)化性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以納米灌木叢結(jié)構(gòu)為基的DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率比納米薄膜提高了近40%。研究表明,以納米灌木叢結(jié)構(gòu)為基的DSSC效能的提高主要是由于：首先,納米灌木叢結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積,能吸附更多的染料,吸收更多的光子,進(jìn)而能提高電池的光電流密度。其次,灌木叢結(jié)構(gòu)具有納米線結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)具有直接的電子傳輸路徑,從而提高電子的傳輸幾率,大大降低電子的復(fù)合幾率。最后,灌木叢結(jié)構(gòu)由于其具有更強(qiáng)的光散射效應(yīng),因此能吸收更多的光子。 【關(guān)鍵詞】：ZnO 光學(xué)性質(zhì) 電學(xué)性質(zhì) 納米材料 染料敏化太陽(yáng)能電池
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-42
• 1.1 ZnO的基本性質(zhì)10-14
• 1.2 ZnO納米材料研究進(jìn)展14-15
• 1.2.1 納米材料14
• 1.2.2 ZnO納米材料的研究進(jìn)展14-15
• 1.3 ZnO納米材料的合成和表征方法15-26
• 1.3.1 ZnO納米材料的合成方法15-20
• 1.3.1.1 激光脈沖沉積法(PLD)15-18
• 1.3.1.2 原子層沉積(ALD)18-19
• 1.3.1.3 電化學(xué)沉積(ECD)19-20
• 1.3.2 ZnO納米材料的表征方法20-26
• 1.3.2.1 掃描電鏡(SEM)20-21
• 1.3.2.2 X射線衍射(XRD)21-23
• 1.3.2.3 光致發(fā)光光譜(PL)23-24
• 1.3.2.4 電學(xué)性質(zhì)測(cè)量24-25
• 1.3.2.5 X射線光電子能譜(XPS)25-26
• 1.4 ZnO納米材料的摻雜26-30
• 1.5 ZnO基染料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展30-35
• 1.6 本論文研究?jī)?nèi)容和意義35-36
• 1.7 本章小結(jié)36
• 參考文獻(xiàn)36-42
• 第二章 氮摻雜ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)及物理特性的研究42-70
• 2.1 樣品制備方法和參數(shù)43-44
• 2.2 氮摻雜ZnO薄膜結(jié)構(gòu)表征及物理性質(zhì)研究44-61
• 2.2.1 氮摻雜ZnO薄膜表面形貌特征44
• 2.2.2 氮摻雜ZnO薄膜結(jié)構(gòu)分析44-46
• 2.2.3 氮摻雜ZnO薄膜光學(xué)特性分析46-57
• 2.2.4 氮摻雜ZnO薄膜電學(xué)特性分析57-59
• 2.2.5 氮摻雜ZnO薄膜275cm~(-1)拉曼峰起源研究59-61
• 2.3 氮摻雜ZnO薄膜的磁性分析61-63
• 2.4 本章小結(jié)63-64
• 參考文獻(xiàn)64-70
• 第三章 ZnO納米結(jié)構(gòu)維度的調(diào)控及性質(zhì)研究70-91
• 3.1 ZnO不同納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)和參數(shù)70-71
• 3.2 ZnO不同納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理及物理特性分析71-85
• 3.2.1 ZnO不同納米結(jié)構(gòu)的形貌分析71-73
• 3.2.2 ZnO不同納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析73-78
• 3.2.3 ZnO不同納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性分析78-80
• 3.2.4 ZnO不同納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)分析80-82
• 3.2.5 ZnO不同納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理82-85
• 3.3 本章小結(jié)85-86
• 參考文獻(xiàn)86-91
• 第四章 三維ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備及性質(zhì)研究91-106
• 4.1 三維ZnO納米結(jié)構(gòu)制備工藝和參數(shù)91-92
• 4.1.1 ZnO納米花制備工藝和參數(shù)91-92
• 4.1.2 ZnO納米片-納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備工藝92
• 4.2 三維ZnO納米結(jié)構(gòu)的形貌分析92-97
• 4.2.1 ZnO納米花結(jié)構(gòu)92-95
• 4.2.2 ZnO納米片-納米線三維結(jié)構(gòu)的形貌分析95-97
• 4.3 三維ZnO納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)97-101
• 4.3.1 ZnO納米花的光致發(fā)光譜97-101
• 4.3.2 ZnO納米片-納米線三維結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光光譜101
• 4.4 本章小結(jié)101-102
• 參考文獻(xiàn)102-106
• 第五章 ZnO/TiO_2核殼結(jié)構(gòu)的制備及以其為基染料敏化太陽(yáng)能電池的研究106-117
• 5.1 ZnO/TiO_2核殼結(jié)構(gòu)的制備工藝和參數(shù)107-108
• 5.1.1 不同ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備工藝107-108
• 5.1.2 TiO_2緩沖層制備工藝我們利用原子層沉積方法108
• 5.2 ZnO/TiO_2核殼結(jié)構(gòu)的確認(rèn)108-110
• 5.3 不同ZnO/TiO_2核殼結(jié)構(gòu)為基的染料敏化太陽(yáng)能電池性能研究110-114
• 5.4 本章小結(jié)114-115
• 參考文獻(xiàn)115-117
• 第六章 總結(jié)及展望117-120
• 6.1 總結(jié)117-119
• 6.2 展望119-120
• 致謝120-121
• 博士期間發(fā)表和提交論文121-122

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