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ZnO纳米材料的制备、物性及在染料敏化太阳能电池器件中的应用研究

【摘要】:ZnO是透明、宽禁带半导体,具有高的激子束缚能,被广泛应用于蓝、紫外发光二极管、太阳能电池等器件上。但是要实现在光电子器件上的应用,有几个问题还待解决,一个是ZnO的p型掺杂;另一个是ZnO纳米结构的控制。本论文主要研究了三个方面的内容: (1)最近研究表明利用氮替代ZnO中的O是实现p型掺杂的最好方式,但实现N掺杂ZnO的p型转变仍旧很困难,另外,N掺杂ZnO样品的拉曼光谱中的275cm-1峰的起源一直有争议。为了探索以上两个问题,我们研究了N掺杂ZnO薄膜的光学、电学和磁性等性质。进而探索N掺杂ZnO薄膜中缺陷随氮气压的变化趋势以及275cm-1处拉曼峰的起源。扫描电镜(SEM)结果表明ZnO薄膜颗粒直径随氮气压的增加而减小。透射光谱结果表明ZnO的能带宽度随氮气压的增加而增加,这是由于N参入ZnO中,替代了O的位置造成的。PL光谱研究表明,在低的氮气压下,样品含有N替代O形成No受主缺陷和锌间隙(Zni)缺陷。当氮气压增高后,锌间隙缺陷逐渐消失,而No受主仍能观察到。同时,X射线光电子谱(XPS)表明,No受主缺陷的数目随氮气压的增加而减少。275cm-1处拉曼峰只有在氮气压低于30Pa时才出现,其强度随氮气压的增加而减弱,这一变化趋势与光致发光光谱以及X射线光电子谱中所对应的No缺陷的变化趋势一致。电学性质测量表明,N掺杂ZnO薄膜的电阻率、载流子浓度以及电子迁移率随氮气压变化很明显。另外,我们也研究了在不同氩气气压下制备的ZnO薄膜的拉曼光谱,结果进一步表明275cm-1处拉曼光谱与N掺杂有关。从实验结果分析来看,我们认为275cm-1处拉曼峰的起源是Zni-No复合缺陷。 (2)我们首次利用电化学方法,改变电解液中甲醇的浓度实现了对ZnO形貌以及物理性质的控制。随着电解液中甲醇浓度的增加,ZnO的形貌从薄膜逐渐变成纳米片状和纳米颗粒堆积状。X射线衍射(XRD)表明,ZnO晶体生长方向随甲醇浓度的增加从(002)方向转变为(102)再转变为(101)方向。同时,ZnO的光学、电学性质也随着甲醇浓度的改变而改变。比如:Zn0的光学能带从3.31eV增加到3.53eV,电阻率增加,载流子浓度减少。XPS研究表明,随着电解液中甲醇浓度的增加,ZnO样品中的Zn(OH)2的含量也增加,因此,ZnO的光学、电学性质也随着改变。我们也研究了ZnO形貌随甲醇浓度改变而变化的机制。从XPS结果,我们发现随着电解液中甲醇浓度的增加,样品含有亚硝酸根和硝酸根离子,这种离子易吸附在ZnO的极性面(0001)面,限制这个方向的生长速度,其它方向的生长速度则相对增加,从而改变了ZnO的形貌。 (3)纳米材料和纳米技术的发展为提高太阳能电池的效率以及降低成本提供了坚强的后盾和技术支持。最近,对太阳能电池进行了大量的研究并取得一定的成果。为了增加光电极的比表面积和吸收更多的光子,我们制备了三维多级结构的ZnO,比如纳米花、纳米灌木丛等纳米结构。我们对ZnO纳米花的形成机制以及其光学性质进行了详细的研究。在太阳能电池研究中,为了避免ZnO与燃料之间进行反应,我们利用原子层沉积(ALD)方法在ZnO表面沉积了一层很薄的TiO2。为了验证TiO2沉积在ZnO表面,我们采用了透射电镜和光致发光光谱技术。我们比较了以不同纳米结构的ZnO/TiO2核壳结构为基的染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电转化性能。实验结果表明,以纳米灌木丛结构为基的DSSC的光电转化效率比纳米薄膜提高了近40%。研究表明,以纳米灌木丛结构为基的DSSC效能的提高主要是由于:首先,纳米灌木丛结构具有较大的比表面积,能吸附更多的染料,吸收更多的光子,进而能提高电池的光电流密度。其次,灌木丛结构具有纳米线结构,其结构具有直接的电子传输路径,从而提高电子的传输几率,大大降低电子的复合几率。最后,灌木丛结构由于其具有更强的光散射效应,因此能吸收更多的光子。

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