ZnSe納米線的制備、表征和性質研究及其在聚合物/無機復合太陽能電池中的應用

【摘要】：具有寬禁帶的直接帶隙II-VI族半導體材料,在短波長光電器件中具有重要的應用。其一維納米材料由于其結構及量子特性,近年來成為了該領域研究的熱點。本論文以ZnSe為研究對象,利用較為簡單、經濟的脈沖激光沉積方法,研究ZnSe一維納米材料的制備、表征、性質、生長機理及其在聚合物／無機復合太陽能電池中的應用。 本論文的研究主要包括了以下三部分內容： 第一部分介紹了脈沖激光沉積方法制備硒化鋅納米線及樣品的表征和性質。利用PLD方法合成的ZnSe納米線,是以Si(100)為襯底,在真空度為2×10-4pa的背景下,先在室溫的條件下沉積一層50nm厚的催化劑Ni,接著加熱Ni覆蓋的襯底至300-C,然后在這個溫度下沉積ZnSe納米線。脈沖激光能量為40mJ,激光頻率為10Hz,沉積持續(xù)時間為30分鐘。對所合成的ZnSe納米線的表面形貌、晶體結構和光學性質分別進行測試。通過SEM觀察樣品的表面形貌,在襯底上密集生長了ZnSe納米線。納米線從底部生長,方向比較無序,密度約為8×1009cm-2。單根ZnSe納米線為針狀的,底部較粗,頂部較細,長度約為200nm。XRD結果顯示,合成的ZnSe納米線薄膜為面心立方結構,具有較強的(111)衍射峰。HRTEM結果顯示,PLD方法合成的單根ZnSe納米線具有較好的晶體結構,沒有明顯的缺陷。而SAED的結果也顯示單根ZnSe納米線具有較好的單晶結構。紫外-可見光吸收譜和光致發(fā)光特性的研究結果發(fā)現,與體材料ZnSe相比,ZnSe納米線的吸收峰和邊帶發(fā)射峰都有顯著的藍移。這些結果說明,由于量子限制效應,使得ZnSe納米線的禁帶寬度增大。 第二部分研究了襯底、襯底溫度、催化劑、生長時間等實驗條件對ZnSe納米薄膜生長的影響以及脈沖激光沉積方法合成ZnSe納米線的生長機理。論文本部分研究了Si(100)、藍寶石(0001)和石英三種襯底對ZnSe納米薄膜生長的影響,通過對樣品的表面形貌觀察,發(fā)現襯底對ZnSe納米薄膜的表面形貌具有很大的影響。在Si(、100)上合成了ZnSe納米線,在石英襯底上生長的是ZnSe納米棒,而在藍寶石襯底上ZnSe則是以納米顆粒的形式存在。本部分還研究了對于兩種不同的催化劑(Au和Ni)在不同襯底溫度下ZnSe納米線的生長情況。結果顯示,只有當襯底溫度在合適的范圍時,ZnSe納米線才能合成,并且不同的溫度下,ZnSe納米線分別有needle-like和sphere-leading兩種形貌。ZnSe納米線的生長與襯底溫度是否達到催化劑的熔點有關,納米線的兩種形貌與受襯底溫度影響的熔融催化劑的狀態(tài)有關。為了跟蹤PLD方法合成的ZnSe納米線的生長情況,本部分也研究了5—60 min等幾種不同生長時間對ZnSe納米線生長的影響。脈沖激光沉積方法生長的ZnSe納米線隨著沉積時間的加長,不斷地變粗、變長,但形貌相似。 第三部分探索了ZnSe納米線在聚合物/無機復合太陽能電池中的應用。有機聚合物太陽能電池由于其低成本、易制作、延展性好、可柔性等優(yōu)點,在太陽能電池領域具有重要的地位。然而由于在有機聚合物內,激子的分離效率很低,導致有機聚合物太陽能電池的效率低下。為了使有機聚合物內的激子更有效地分離從而提高太陽能電池效率,一種有效的方法就是加入無機納米材料。本論文中設計了一種基于ZnSe納米線的聚合物/無機復合太陽能電池結構,并對這種復合結構太陽能電池的制備和性質進行了初步的探索。紫外-可見光吸收譜的結果顯示,ZnSe納米線的存在有利于有機聚合物太陽能電池對光的吸收。I-V特性的結果發(fā)現,比起沒有ZnSe納米線存在的有機聚合物太陽能電池,基于ZnSe納米線的有機/無機復合太陽能電池的開路電壓和填充因子有一定的提高。 【關鍵詞】：ZnSe納米線 脈沖激光沉積 聚合物/無機復合太陽能電池
【學位授予單位】：復旦大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 脈沖激光沉積方法10-11
• 1.3 ZnSe納米材料11-13
• 1.3.1 納米材料11-12
• 1.3.2 ZnSe納米材料的結構及性質12
• 1.3.3 一維ZnSe納米材料的制備12
• 1.3.4 一維ZnSe納米材料的應用12-13
• 1.4 基于ZnSe納米線的有機聚合物/無機復合太陽能電池13-15
• 1.4.1 有機聚合物太陽能電池13-14
• 1.4.2 基于一維無機納米線的有機聚合物/無機復合太陽能電池14-15
• 第二章 脈沖激光沉積方法制備ZnSe納米線及其表征15-28
• 2.1 引言15
• 2.2 實驗方法15-18
• 2.2.1 脈沖激光沉積方法原理15-16
• 2.2.2 實驗設備16-18
• 2.3 ZnSe納米線的制備18-19
• 2.4 ZnSe納米線的表征19-26
• 2.4.1 ZnSe納米線樣品的形貌(SEM)19-20
• 2.4.2 ZnSe納米線樣品的晶體結構(XRD)20-22
• 2.4.3 單根ZnSe納米線的形貌及晶體結構(TEM、HRTEM、SAED)22-23
• 2.4.4 單根ZnSe納米線的成份(EDS)23-24
• 2.4.5 紫外-可見光吸收24-26
• 2.4.6 光致發(fā)光26
• 2.5 本章小結26-28
• 第三章 實驗條件對ZnSe納米薄膜生長的影響及生長機理研究28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 襯底對ZnSe納米薄膜生長的影響28-30
• 3.3 襯底溫度和催化劑對ZnSe納米薄膜生長的影響30-33
• 3.3.1 Au作為催化劑時,襯底溫度對ZnSe納米薄膜生長的影響30-32
• 3.3.2 Ni作為催化劑時,襯底溫度對ZnSe納米薄膜生長的影響32-33
• 3.4 生長時間對ZnSe納米薄膜生長的影響33-36
• 3.5 PLD方法合成的ZnSe納米線的生長機理研究36-38
• 3.5.1 納米線的VLS生長模式36
• 3.5.2 needle-like ZnSe納米線生長機理36-37
• 3.5.3 sphere-leading ZnSe納米線生長機理37-38
• 3.6 本章小結38-40
• 第四章 基于ZnSe納米線的聚合物/無機復合太陽能電池的制備研究40-51
• 4.1 引言40
• 4.2 聚合物/ZnSe納米線復合太陽能電池的結構40-41
• 4.3 聚合物/ZnSe納米線復合太陽能電池的制備41-42
• 4.3.1 實驗設備41
• 4.3.2 太陽能電池的制備過程41-42
• 4.4 聚合物/ZnSe納米線復合太陽能電池的性質42-50
• 4.4.1 聚合物/ZnSe納米線復合太陽能電池的形貌42-44
• 4.4.2 聚合物/ZnSe納米線復合太陽能電池的光吸收性質44-48
• 4.4.3 聚合物/ZnSe納米線復合太陽能電池的I-V特性曲線48-50
• 4.5 本章小結50-51
• 第五章 總結與展望51-54
• 參考文獻54-60
• 致謝60-61
• 研究生期間的研究成果61-62

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