膠體球模板法構(gòu)筑有序微納結(jié)構(gòu)及其光電應(yīng)用.pdf

1、隨著人口的持續(xù)增長、經(jīng)濟的不斷發(fā)展和社會的日益進步,人們對能源的需求越來越高,為了應(yīng)對傳統(tǒng)礦物能源大量使用所帶來的能源短缺和環(huán)境污染問題,可再生清潔能源太陽能的發(fā)展日益受到人們的重視。但目前太陽能在整個能源結(jié)構(gòu)中所占的比例仍然很低,制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸問題依然是低的轉(zhuǎn)換效率和偏高的生產(chǎn)成本。基于降低成本和大面積應(yīng)用的考慮,太陽電池的薄膜化是其必然的發(fā)展趨勢。然而,薄膜太陽電池自身的結(jié)構(gòu)特點使得它們普遍存在一個光子吸收效率和載流子收

2、集效率相互制約的矛盾,使得目前其光電轉(zhuǎn)換效率尚無法達到商業(yè)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。在薄膜太陽電池中引入有序微納結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是解決光吸收效率和載流子收集效率之間矛盾的有效途徑之一。通常情況下,有序微納結(jié)構(gòu)需要借助昂貴的微加工設(shè)備構(gòu)筑,使得其不適于在薄膜太陽電池中大面積應(yīng)用,然而,納米微球刻蝕技術(shù)因其具有低成本、方便易行、高產(chǎn)出、大面積等特點,被廣泛用來構(gòu)筑各種形狀、尺寸和各種材料的微納米有序結(jié)構(gòu)。
　　本論文中,利用納米微球刻蝕技術(shù)構(gòu)筑幾種不同

3、材料的有序圖案化納米結(jié)構(gòu),并將所制備的ZnO納米空腔結(jié)構(gòu)應(yīng)用到ZnO/Cu2O異質(zhì)結(jié)薄膜太陽電池中,相比于傳統(tǒng)的雙層薄膜異質(zhì)結(jié)光伏器件,這種高度有序的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以大幅度地增加異質(zhì)結(jié)面積,提高電池短路電流密度(Jsc)和光電轉(zhuǎn)換效率;利用納米微球刻蝕技術(shù)結(jié)合金屬輔助化學(xué)刻蝕技術(shù)制備了直徑和密度可控的有序硅納米線陣列,著重考察了硅片的摻雜類型、不同金屬催化劑、刻蝕時間對于硅納米線陣列形成的影響。本論文主要開展以下三部分的研究工作:

4、>　　(1)聚苯乙烯(PS)微球的合成、模板組裝及有序微納結(jié)構(gòu)的膠晶模板法構(gòu)筑:利用乳液聚合法制備了單分散性良好的、直徑為612nm的聚苯乙烯微球;利用PS微球在液面上自組裝的特性,通過液面自組裝轉(zhuǎn)移法在襯底上組裝了大面積有序的PS微球密排單層模板;結(jié)合反應(yīng)離子束刻蝕(RIE)技術(shù)構(gòu)筑了非密排PS微球模板;利用PS微球膠晶模板大面積構(gòu)筑了有序的金、銀、SnO2、Ag2S的納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu);利用所制備的Ag2S納米網(wǎng)格作為二次模板,結(jié)合熱蒸發(fā)

5、技術(shù)制備了有序的金納米點陣結(jié)構(gòu)。
　　(2)有序ZnO納米空腔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及其在ZnO/Cu2O異質(zhì)結(jié)薄膜太陽電池中的應(yīng)用:利用納米微球刻蝕技術(shù)并結(jié)合水熱生長法構(gòu)筑了大面積有序的ZnO空腔納米結(jié)構(gòu),采用電化學(xué)沉積法將Cu2O薄膜沉積到有序的ZnO空腔納米結(jié)構(gòu)中,構(gòu)筑了新型的三維立體交叉結(jié)構(gòu)的Cu2O/ZnO異質(zhì)結(jié)太陽電池。這種高度有序的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以大幅度地增大異質(zhì)結(jié)面積,從而使短路電流密度(Jsc)和光電轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)的平面雙

6、層薄膜異質(zhì)結(jié)光伏器件均有較大程度地提高。
　　(3)基于NSL技術(shù)和金屬輔助刻蝕技術(shù)構(gòu)筑直徑和密度可控的有序硅納米線陣列:通過采用納米微球刻蝕技術(shù)、反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)和金屬輔助化學(xué)刻蝕方法成功地制備了不同直徑、密度和長度的有序硅納米線陣列。分別研究了金屬輔助化學(xué)刻蝕過程中PS微球模板中的微球尺寸和間距、刻蝕時間、硅片的摻雜類型以及不同金屬(金和銀)對有序硅納米線形成的影響,為基于硅納米線的太陽電池以及其它硅納米線陣列光電器件的構(gòu)筑