氧化鋅及其鋁摻雜納米顆粒的制備及在染料敏化納米晶太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】： 氧化鋅(ZnO)是一種n型半導(dǎo)體，其帶隙為3.3-3.6 eV，室溫下激子束縛能為60meV，所以在常溫下ZnO具良好的發(fā)光功能，同時ZnO也具有光電導(dǎo)性和光催化活性，在納米器件諸如發(fā)光二極管、光電二極管、波導(dǎo)器件、氣體傳感器和光電池等方面有良好的應(yīng)用前景。鋁摻雜的氧化鋅薄膜(AZO)的電阻率很低，約2.4×10~~(-4)Ω·cm，與導(dǎo)電性能優(yōu)良的ITO導(dǎo)電玻璃相當(dāng)；AZO的帶隙為3.4—3.9 eV，在可見光和近紅外部分具有良好的透光性；另外，AZO無毒、價廉、容易制備，在酸性條件下性質(zhì)也很穩(wěn)定，基于這些獨(dú)特的性質(zhì)，AZO薄膜可用作光電池中的透明導(dǎo)電電極材料。 近來，各種結(jié)構(gòu)的ZnO納米顆粒已經(jīng)成功制備，并已在光電子設(shè)備和電子設(shè)備上進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)ZnO納米顆粒的尺寸、形貌和分散度等對器件的影響很大。另外，在對ZnO進(jìn)行摻雜研究時發(fā)現(xiàn)，摻雜物質(zhì)的類型和其納米范圍內(nèi)的量子尺寸效應(yīng)對功能材料的性能有著很大的影響，所以對ZnO摻雜物質(zhì)種類和尺寸的研究非常重要。針對ZnO以及AZO研究中納米材料的制備及其在染料敏化納米晶太陽能電池應(yīng)用中存在的問題，本論文進(jìn)行了以下研究： 1．利用水熱法制備出了不同形貌的納米ZnO顆粒。研究了表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮—K30(PVP)在控制納米顆粒尺寸以及分散度方面的作用，并通過控制水熱過程加熱方式和加熱時間等可分別得到ZnO納米顆粒、納米片和納米棒。利用TEM、XRD和SEM來表征粒子的大小、形貌和轉(zhuǎn)變過程。 2．利用濕化學(xué)法制備了分散好、小尺寸(粒徑~5nm左右)的納米晶和長度在550~800 nm的AZO納米棒。TEM觀察顯示納米棒具單一的晶體結(jié)構(gòu)和生長擇優(yōu)取向。X射線能譜儀(EDS)顯示A1已成功摻雜于ZnO納米棒內(nèi)。 3．利用水熱法制備出粒徑約40nm的AZO納米顆粒。利用SEM和XRD確定其形貌和晶相，并將這些納米顆粒制成薄膜，研究了薄膜在紫外-可見光范圍內(nèi)的光吸收和光透射情況。測量了薄膜的電阻，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)電性良好，電阻率存0.12Ω·cm左右。 4．利用水熱法制備出粒徑~15nm的ZnO納米顆粒，對其重新水熱處理可得到ZnO納米片。用TEM、SEM和XRD表征其晶相和形貌，用紫外-可見光光譜儀研究了由ZnO納米片組成的薄膜的光吸收情況；將薄膜組裝成染料敏化納米晶太陽能電池后，其電池的填充因子為0.55，短路電路為2.059 mA／cm~2，開路電壓為0.593V，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.55％。 【關(guān)鍵詞】：ZnO AZO 形貌 水熱 染料敏化納米晶太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要5-6
• Abstract6-10
• Introduction10-12
• 1.Motivation10-11
• 2.Objectives11
• 3.Summary of this thesis11-12
• Chapter 1:Background12-46
• 1.1 Nanomaterials12-13
• 1.2 Physical Properties of ZnO Nanostructures13-23
• 1.2.1 Mechanical properties15
• 1.2.2 Piezoelectric effect and polar surfaces15-19
• 1.2.3 Electrical properties of ZnO nanostructure19-21
• 1.2.4 Chemical sensing21-23
• 1.3 Nanostructures Synthesis Techniques23-28
• 1.3.1 Physical vapor deposition23-25
• 1.3.2 Chemical vapor deposition25-27
• 1.3.3 Solution-based chemistry27-28
• 1.4 Aluminum Doped ZnO Nanostructures(AZO)28-33
• 1.5 Dye-sensitized Nanocrystalline Solar Cells33-41
• 1.5.1 Operation principle of the dye-sensitized nanocrystalline solar cell [DSSC]35-36
• 1.5.2 Panchromatic sensitizers36-38
• 1.5.3 Solid-state dye-sensitized solar cells38-41
• 1.6 References:41-46
• Chapter 2:The Effect of PVP Addition and Heat-treatment Duration on Zinc Oxide Nanoparticles46-58
• 2.1 Introduction46-48
• 2.2 Materials48
• 2.3 Experimental48-49
• 2.4 Results and discussion49-55
• 2.5 Conclusions55-56
• 2.6 References56-58
• Chapter 3:Al-doped ZnO Nanorods Synthesized By a Wet Chemical Method58-65
• 3.1 Introduction58-59
• 3.2 Materials59
• 3.3 Experimental59-60
• 3.4 Results and discussion60-63
• 3.5 Conclusions63-64
• 3.6 References64-65
• Chapter 4:Preparation and Properties of Zinc Oxide Doped with Aluminum Nanostructured Thin Film65-78
• 4.1 Introduction65-66
• 4.2 Materials66
• 4.3 Experimental66-67
• 4.4 Results and discussion67-75
• 4.5 Conclusions75-76
• 4.6 References76-78
• Chapter 5:Preparation of ZnO Nanoparticles and Nanosheets Thin Films and their Application to Dye-sensitized Solar Cells78-90
• 5.1 Introduction78-80
• 5.2 Materials80
• 5.3 Experimental80-81
• 5.4 Results and discussion81-87
• 5.5 Conclusions87-88
• 5.6 References88-90
• Chapter 6:Conclusions90-92
• The publishing papers92-93
• ACKNOWLEDGEMENTS93

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