三維微納米ZnO超結(jié)構(gòu)材料的制備、表征及太陽能電池應(yīng)用研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)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(jié)構(gòu)的ZnO晶體擁有獨特的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，使其在光學(xué)和電學(xué)等多方面展示了優(yōu)良的性能，因而在實際生活生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)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(lǐng)域。另一方面，ZnO晶體擁有特殊的化學(xué)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(yīng)用成為當代

2、研究的熱點。與簡單的低維納米陣列相比，由一維納米結(jié)構(gòu)或二維納米結(jié)構(gòu)組裝的特殊形貌的三維微納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的卓越性能，同時又具有一維或二維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及二維結(jié)構(gòu)組裝成不同形貌的三維超結(jié)構(gòu)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(nèi)容如下:
　　(1)在前期研究的基礎(chǔ)之上，我們采用簡單的水熱法

3、，以濃氨水溶液作為反應(yīng)體系，通過控制反應(yīng)時間及其他因素成功制備出了三維海膽狀超結(jié)構(gòu)材料ZnO納米針陣列。通過討論反應(yīng)時間對微納米結(jié)構(gòu)ZnO的形貌和紫外漫反射光譜的影響，得出該結(jié)構(gòu)為高度結(jié)晶的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，最佳反應(yīng)時間為9h。通過跟蹤反應(yīng)時間與產(chǎn)物形貌的對應(yīng)關(guān)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(jié)構(gòu)材料ZnO的形成機理。同時與前期制備的一維結(jié)構(gòu)材料的結(jié)果相比較，由于其特殊的幾何形態(tài)，光電轉(zhuǎn)化效率提高了77

4、.6％，光電性能進一步優(yōu)化。
　　(2)以導(dǎo)電玻璃(FTO)為反應(yīng)基底，采用溶劑熱法制備出了三維球狀體超結(jié)構(gòu)材料ZnO納米片陣列。反應(yīng)過程中，通過調(diào)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(yīng)體系，NaBH4的量為12 mmol、反應(yīng)溫度為120℃、反應(yīng)時間為6h。輔助添加劑NaBH4的加入對ZnO晶體的生長產(chǎn)生了特定取向的誘導(dǎo)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

5、維球狀體超結(jié)構(gòu)ZnO納米片陣列的光電性能表現(xiàn)最佳，其短路電流密度為6.76 mA/cm2、開路電壓為0.692 V、光電轉(zhuǎn)化效率為2.09％。
　　(3)采用簡單的水熱法，以Zn(CH3COO)2·2H2O為反應(yīng)原料，通過調(diào)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(jié)構(gòu)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(yīng)溫度與反應(yīng)

6、時間分別為120℃和3h。通過分析NaBH4對ZnO晶體結(jié)構(gòu)生長方式的影響，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對ZnO晶體結(jié)構(gòu)形貌的調(diào)控，實現(xiàn)了微納米結(jié)構(gòu)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(yīng)，三維海膽球狀微納米超結(jié)構(gòu)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。