面向太陽能電池的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)制備研究

【摘要】：氧化鋅(Zinc oxide,簡(jiǎn)稱ZnO)制備的材料被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。Zn O六棱線被用于染料敏化太陽能電池中,并可顯著提高光與電之間轉(zhuǎn)換的效率,這是因?yàn)榱饩€在其中的主要作用是電子傳輸,因?yàn)閆nO六棱線的遷移率和比表面積相對(duì)于其它材料較大。然而目前以氧化鋅六棱線作為光陽極光與電之間轉(zhuǎn)換的效率還比較低,國(guó)內(nèi)光電的轉(zhuǎn)換效率還在1%左右徘徊,這樣低的轉(zhuǎn)換效率肯定是不可以用于光陽極的大規(guī)模生產(chǎn)的。綜合來看主要存在的問題有重復(fù)性差、籽晶層的制備方式、取向性、六棱線的比表面積小、六棱線的缺陷高、六棱線的導(dǎo)電能力低(電子遷移率低)等原因?；诖?本論文對(duì)六棱線制備進(jìn)行了一些研究,使其能用于未來的光陽極中,提高光與電之間轉(zhuǎn)換的效率。本文采用透射譜(Transmittance Spectrun)、光致發(fā)光譜(Photoluminescence?Spectrum,簡(jiǎn)稱PL譜)、X射線衍射譜(X?ray Diffaction Spectrum,簡(jiǎn)稱XRD譜)以及掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,簡(jiǎn)稱SEM)為納米結(jié)構(gòu)性能的表征手段。(1)籽晶層采用磁控濺射法制備的ZnO薄膜重復(fù)性比較高,解決了重復(fù)性差的問題,且解決了導(dǎo)電層與電解液之間的復(fù)合問題。(2)研究了不同的加熱過程六棱線性能的對(duì)比得出以下結(jié)論:直接放于95oC水中的透射率高;(103)晶面的生長(zhǎng)隨溫度的升高生長(zhǎng)速度加快,而(002)晶面在水熱條件下也是隨溫度升高生長(zhǎng)速度加快;當(dāng)溫度在95oC時(shí),氧化鋅幾乎只沿(002)晶面單向生長(zhǎng),而在95oC以下某一個(gè)特定的或一定范圍內(nèi)的溫度,氧化鋅沿(100)晶面會(huì)有生長(zhǎng);直接放于95oC水中(002)晶面結(jié)晶質(zhì)量較好,(002)晶面生長(zhǎng)的概率更高,六棱線長(zhǎng)得均勻,直立性好,六棱線的頂端六角形的結(jié)構(gòu)完整,側(cè)面幾乎無沾連,解決了直立性較差的問題。(3)通過改變?nèi)芤褐芯垡蚁﹣啺返臐舛?使其從0到0.002mol/L變化,通過測(cè)試結(jié)果得出結(jié)論:氧化鋅六棱線的透射率呈現(xiàn)出先緩慢降低又緩慢升高的情況,(002)晶面晶格結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)隨聚乙烯亞胺的加入的增多,呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。而(103)晶面呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)。在0.001mol/L處,(002)生長(zhǎng)最多,而(103)晶面生長(zhǎng)最少,但是不加入聚乙烯亞胺更適用于氧化鋅六棱線的一次生長(zhǎng),而加入聚乙烯亞胺的氧化鋅六棱線的生長(zhǎng)更適合于在棒上二次或多次生長(zhǎng)氧化鋅以制備出超長(zhǎng)的氧化鋅六棱線。為了使六棱線長(zhǎng)得更長(zhǎng),本文采用0.001mol/L作為聚乙烯亞胺的添加濃度,以醋酸鋅、六次甲基四胺體系為一次生長(zhǎng)體系,醋酸鋅、六次甲基四胺和0.001mol/L的聚乙烯亞胺體系作為二次生長(zhǎng)體系。(4)二次生長(zhǎng)的(002)晶面更多。二次的(103)晶面峰值相對(duì)一次來說較小,成功實(shí)現(xiàn)了直徑與一次生長(zhǎng)六棱線直徑尺寸相似、沿襲原有生長(zhǎng)方向、直徑尺寸上下基本一致的二次生長(zhǎng),且直立性特別好,生長(zhǎng)比較自然,好像一次生長(zhǎng)的一樣,達(dá)到了六棱線長(zhǎng)度生長(zhǎng)的目的。(5)二次生長(zhǎng)氧化鋅六棱線通過改變鋅與鎳的比值得到以下結(jié)論:在鋅鎳比值為0.94:0.06時(shí),透射率最高,缺陷最小,成功實(shí)現(xiàn)鎳的摻入減少缺陷的目的。綜合來說,針對(duì)六棱線陣列存在的問題,對(duì)它的直立性、長(zhǎng)度、缺陷方面進(jìn)行了改進(jìn)性研究,但由于透射率很低,染料的填充空間是否足夠等問題,說明光陽極材料的制備還有很多的條件需要改進(jìn),以達(dá)到提高轉(zhuǎn)化效率的目的。 【關(guān)鍵詞】：氧化鋅六棱線陣列 水熱法 聚乙烯亞胺 鎳摻雜 光陽極
【學(xué)位授予單位】：遼寧師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ132.41;TB383.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 引言10-12
• 1 ZnO的制備方法12-21
• 1.1 脈沖激光沉積（ Pulse Laser Deposition ，簡(jiǎn)稱PLD ）13-14
• 1.1.1 制備原理13-14
• 1.1.2 制備過程14
• 1.1.3 與除此以外的薄膜生產(chǎn)方式相比PLD的優(yōu)點(diǎn)14
• 1.2 原子層沉積法14-15
• 1.2.1 制備原理14-15
• 1.3 磁控濺射法 ( Magnetron Sputtering )15-16
• 1.3.1 制備原理15-16
• 1.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟16
• 1.3.3 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)16
• 1.4 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（ metal ?organic Chemical Vapor Deposition ，簡(jiǎn)稱MOCVD ）16-17
• 1.4.1 制備原理16
• 1.4.2 MOCVD法的特點(diǎn)16-17
• 1.5 超聲噴霧熱解法（Ultrasonic Spray Pyrolysis ，簡(jiǎn)稱USP ）17-18
• 1.5.1 制備原理17
• 1.5.2 USP的歷史與研究現(xiàn)狀17
• 1.5.3 USP制備ZnO薄膜17-18
• 1.6 水熱法（水浴加熱法， Hydrothermal Method ）18-21
• 1.6.1 水熱法的發(fā)展過程及研究現(xiàn)狀18-20
• 1.6.2 水熱法制備ZnO實(shí)驗(yàn)步驟20-21
• 2 ZnO的表征方法21-30
• 2.1 透射率譜21
• 2.2 光致發(fā)光譜（ PL譜）21-26
• 2.2.1 光子吸收21-22
• 2.2.2 復(fù)合產(chǎn)生光子22-24
• 2.2.3 ZnO的光致發(fā)光機(jī)理24-26
• 2.3 X射線的衍射譜（ XRD譜）26-28
• 2.4 掃描電子顯微鏡圖（ SEM圖）28-30
• 3 不同的加熱過程六棱線性能的對(duì)比30-37
• 3.1 實(shí)驗(yàn)裝置30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)藥品30
• 3.3 實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)過程30-32
• 3.4 結(jié)果與分析32-37
• 3.4.1 透射譜對(duì)比32-33
• 3.4.2 PL譜對(duì)比33-34
• 3.4.3 XRD譜對(duì)比34-35
• 3.4.4 SEM圖對(duì)比35-37
• 4 聚乙烯亞胺( PEI )濃度的變化對(duì)ZnO六棱線的影響37-44
• 4.1 實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)過程37
• 4.2 結(jié)果與分析37-44
• 4.2.1 透射譜對(duì)比37-38
• 4.2.2 PL譜對(duì)比38-40
• 4.2.3 XRD譜對(duì)比40-41
• 4.2.4 SEM圖對(duì)比41-44
• 5 一次生長(zhǎng)ZnO六棱線與二次生長(zhǎng)ZnO六棱線對(duì)比44-49
• 5.1 實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)過程44-45
• 5.2 結(jié)果與分析45-49
• 5.2.1 PL譜對(duì)比45-46
• 5.2.2 XRD譜對(duì)比46
• 5.2.3 SEM圖對(duì)比46-49
• 6 二次生長(zhǎng)ZnO六棱線改變鋅與鎳的比值對(duì)性能的影響49-55
• 6.1 實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)過程49-50
• 6.2 結(jié)果與分析50-55
• 6.2.1 透射譜對(duì)比50-51
• 6.2.2 PL譜對(duì)比51-52
• 6.2.3 XRD譜對(duì)比52-53
• 6.2.4 SEM圖對(duì)比53-55
• 結(jié)論55-57
• 參考 文獻(xiàn)57-61
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況61-62
• 致謝62

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