三維微納米ZnO超結構材料的制備、表征及太陽能電池應用研究

【摘要】：氧化鋅(ZnO)是一種直接帶隙寬禁帶半導體材料,室溫下的激子束縛能是60meV,禁帶寬度是3.37 eV,加之微納米結構的ZnO晶體擁有獨特的表面效應和量子尺寸效應,使其在光學和電學等多方面展示了優(yōu)良的性能,因而在實際生活生產中有著廣泛的應用前景,比如,壓電材料、光催化劑、太陽能電池、納米激光器及氣體傳感器等領域。另一方面,ZnO晶體擁有特殊的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和生物研究安全性,并且對環(huán)境友好,所以ZnO微納米材料的制備與應用成為當代研究的熱點。與簡單的低維納米陣列相比,由一維納米結構或二維納米結構組裝的特殊形貌的三維微納米結構材料不僅具有較大的比表面積,孔隙度也進一步提高,因此其不僅包含了三維結構的卓越性能,同時又具有一維或二維結構的特有性能。本論文通過簡單的水熱法和溶劑熱法實現(xiàn)了對由不同的一維結構及二維結構組裝成不同形貌的三維超結構材料ZnO的可控制備,同時對其光電性能進行比較分析。其主要研究內容如下：(1)在前期研究的基礎之上,我們采用簡單的水熱法,以濃氨水溶液作為反應體系,通過控制反應時間及其他因素成功制備出了三維海膽狀超結構材料ZnO納米針陣列。通過討論反應時間對微納米結構ZnO的形貌和紫外漫反射光譜的影響,得出該結構為高度結晶的六方纖鋅礦結構,最佳反應時間為9 h。通過跟蹤反應時間與產物形貌的對應關系,針對納米晶體塊的成核與自組裝問題,揭示了納米針組裝成三維海膽狀超結構材料ZnO的形成機理。同時與前期制備的一維結構材料的結果相比較,由于其特殊的幾何形態(tài),光電轉化效率提高了77.6%,光電性能進一步優(yōu)化。(2)以導電玻璃(FTO)為反應基底,采用溶劑熱法制備出了三維球狀體超結構材料ZnO納米片陣列。反應過程中,通過調控各項工藝參數(shù),確定最佳工藝條件為：取乙醇-水(v,1：1)混合溶液為反應體系,NaBH4的量為12 mmol、反應溫度為120℃、反應時間為6 h。輔助添加劑NaBH4的加入對ZnO晶體的生長產生了特定取向的誘導作用。由于各種形貌的ZnO晶體具有不同的比表面積,其中在上述條件下制備的三維球狀體超結構ZnO納米片陣列的光電性能表現(xiàn)最佳,其短路電流密度為6.76mA/cm2、開路電壓為0.692 V、光電轉化效率為2.09%。(3)采用簡單的水熱法,以Zn(CH3COO)2·2H2O為反應原料,通過調控各項工藝參數(shù),成功制備出了三維海膽球狀微納米超結構ZnO納米棒陣列,排列有序的納米棒緊密度合適、尺寸均一。實驗表明其最佳制備工藝條件為：濃氨水提供溫和的堿性環(huán)境、NaBH4的量為48 mmol、反應溫度與反應時間分別為120℃和3 h。通過分析NaBH4對ZnO晶體結構生長方式的影響,反應溫度和反應時間對ZnO晶體結構形貌的調控,實現(xiàn)了微納米結構ZnO生長取向的可控制備,并提出了其形成機理。不同形貌的ZnO晶體作為染料敏化太陽能電池的光陽極時,表現(xiàn)出不同的光電效應,三維海膽球狀微納米超結構ZnO獲得了較高的孔隙率,使比表面積更大,染料吸附更多,在納米棒(0001)晶面的生長取向下,載流子的傳遞路徑更有效,光生電子的傳遞速率更快,光電性能更佳。 【關鍵詞】：微納米結構ZnO 三維海膽球狀 生長機理 染料敏化太陽能電池
【學位授予單位】：長沙理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TQ132.41;TB383.1

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