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掺杂ZnO光学性质及染料敏化太阳能电池研究

【摘要】: 氧化锌(ZnO)是一种直接带隙半导体材料,室温下的禁带宽度为3.37eV,激子束缚能高达60meV。这些特性使得ZnO在发光二极管、高性能荧光粉、半导体激光器、紫外探测器等方面拥有广阔的应用前景。大量的研究者就ZnO的光学性质进行了研究,然而其发光机理至今仍然存在着很大的争议。此外,为了实现ZnO基白光LED,三基色的发射是必需的。很多研究者试图通过掺杂来达到这个目的,其中稀土的掺杂备受人们的关注。然而,至今仍然还没有找到合适的掺杂来实现三基色的同时发射,稀土掺杂ZnO的发光机理及能量传递过程也处于争论之中。本文中,我们针对这些问题进行了以下两方面的研究。 (1)运用溶胶凝胶法制备了ZnO及ZnO∶Fe薄膜,详细研究了其光学性质。实验结果表明所制备薄膜致密且表面平整,颗粒大小均匀,通过紫外可见透过光谱发现其在可见光区具有较高的透过率。Fe掺杂后薄膜结晶性变差。光学带隙随Fe掺杂量的增多而逐渐变大,并根据实验数据给出了经验公式。另外,光致发光图谱研究发现,Fe的掺杂能够有规律的调制其发光性质,未掺杂的样品为绿光发射,掺杂量为0.03和0.051的样品为绿光-橙光发射,掺杂量为0.072和0.094的样品为蓝光发射。我们详细研究了其内在的机理,并给出了其各个发光峰的来源。带隙的规律改变对ZnO基量子阱能带工程具有指导意义,而可调制的发光特性在ZnO基光电器件就白光发射方面具有广阔的应用前景。 (2)运用自组装的方法成功制备了形状规则的ZnO及ZnO:Eu纳米球,分析了纳米球的形成机理,全面探索了Eu离子在ZnO中的占位及发光机理。本文中,结合选区电子衍射图谱和扫描电镜结果,给出了两步法制备ZnO纳米球的形成机理。通过在不同气氛(空气、氧气、氩气及氢气和氩气的混合气体(H_2/Ar+H_2=5/100))下退火,详细研究了ZnO纳米球各发光峰的来源:绿光来源于氧空位而橙光和红光则来源于表面态。我们制备了ZnO∶Eu的纳米球,发现Eu离子分别占据着ZnO中的三种位置:替位、间隙和表面/亚表面吸附。其发光过程中的能量传递则与替位缺陷和填隙锌缺陷有着密切的关系。此外,通过Eu掺杂,实现了肉眼可见的近白光发射。文中我们首次给出了两步法制备ZnO纳米球的形成机理,其结果在ZnO的可控生长、元素的掺杂及光子晶体方面的具有重要的意义。稀土掺杂ZnO中稀土离子的占位及发光机理一直处于争议中,本文通过对ZnO∶Eu发光性质的研究,对此问题给出了详细的解释,为制备高效ZnO荧光粉提供了依据。 随着世界能源的日益紧张,越来越多的研究者开始投身于太阳能电池的研究中。其中染料敏化太阳能电池以其成本低、制作工艺简单、转化效率相对较高而被认为是将来Si基太阳能电池的替代品。本文就染料敏化太阳能电池方面进行了以下几方面的工作。 (1)详细研究了ZnO球基染料敏化太阳能电池的优势、存在的问题及解决办法。文中我们用自组装和蒸发溶剂煅烧的方法分别制备了ZnO纳米球和ZnO纳米颗粒。将ZnO纳米球和纳米颗粒分别运用到染料敏化太阳能电池中,相比较ZnO颗粒组装的电池,ZnO球基的转化效率明显提高,我们将其归结为光散射的增加。另外一方面,ZnO球基电池的填充因子则显著降低。为了研究其原因,我们分别做了两方面的工作:在不同的气氛中退火和引入阻挡层。结果发现,氧气中退火后使得光阳极的缺陷态明显降低,从而改善了电池的性能。阻挡层的引入能够更加明显的改善电池的性能,这归因于半导体膜与FTO之间界面电阻的改善和FTO与电解液之间复合的抑制。此研究结果对发展高效率的ZnO基染料敏化太阳能电池具有重要的作用。 (2)针对当前制备染料敏化太阳能电池光阳极复杂的步骤,我们将已经广泛应用于工业生产的电喷涂方法引入到光阳极的制备中。实验结果表明,该方法成本低廉,制作步骤简单。从而符合染料敏化太阳能电池工业化生产的要求。然而,所制备薄膜与FTO间低劣的附着性阻碍了该方法的引进。通过在电喷涂溶液中加入乙醇胺,成功的制备了性能优良的半导体膜,其孔隙率高、颗粒尺寸均匀、透光性优异、附着性良好。颗粒的尺寸可以通过改变乙醇胺的添加量来调整。此外,运用光致发光测试手段,深入的分析了光阳极中的缺陷性质,结合电池的性能参数,对开路电压的改变给出了合理的解释。综上所述,通过调整传统电喷涂前驱体溶液,我们找到了一种适合电池光阳极大规模产业化生产的方法。通过对电池开路电压的研究,使得我们对电池参数的理解更加深入,为以后制备性能更加优异的电池提供了理论依据。

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