利用納米壓印技術(shù)構(gòu)筑圖案化氧化鋅納米棒陣列及其光電性質(zhì)研究.pdf

1、對于高性能的太陽能電池或其它的光電器件來說如何設(shè)計和調(diào)控具有光捕獲能力的類光子晶體微納結(jié)構(gòu)來提高器件的性能具有十分重要的意義,因此利用一些微納加工技術(shù)來設(shè)計和構(gòu)筑具有可調(diào)節(jié)光吸收帶隙的微納結(jié)構(gòu)來擴展太陽能電池在不同波段的光吸收作用從而提高器件的性能具有很好的應(yīng)用前景。在當前的微納加工技術(shù)中,納米壓印技術(shù)因其具有高效率、大面積、低成本等優(yōu)點而獲得了廣泛的關(guān)注。但在納米壓印過程中,壓印所需的模板一般由電子束刻蝕技術(shù)構(gòu)筑得到,其制備成本較高,

2、限制了納米壓印技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用。
　　本論文以自組裝聚苯乙烯微球(Polystyrene microspheres,簡稱PS微球)有序納米結(jié)構(gòu)為模板,構(gòu)筑了聚二甲基硅氧烷(Polydimethyl meth siloxane,簡稱PDMS)納米印章有效的解決了納米壓印過程中模板制備困難的問題。然后利用納米壓印技術(shù)結(jié)合磁控濺射技術(shù)構(gòu)筑了具有陷光作用的半球形氧化鋅納米圓頂陣列。用低溫水熱生長的方法制備了功能化的半球形氧化鋅納米棒

3、陣列,通過控制水熱生長溫度和前驅(qū)體溶液的濃度來控制半球形氧化鋅納米棒陣列的周期性,從而得到了具有可調(diào)節(jié)光吸收帶隙的氧化鋅納米結(jié)構(gòu);最后對這種結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)以及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用做了初步的探索。本文主要開展了以下幾方面的工作:
　　1、利用液面自組裝法制備PS微球模板,用PDMS印章復制單層PS微球表面結(jié)構(gòu),利用制備的PDMS模板進行納米壓印,然后在壓印好的聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate,

4、簡稱PMMA)半球結(jié)構(gòu)表面磁控濺射一層氧化鋅種子層,利用低溫水熱法對樣品進行水熱生長,通過控制水熱反應(yīng)的前驅(qū)體濃度和反應(yīng)時間來調(diào)控氧化鋅納米棒陣列的間距和密度。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)和紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜對半球形氧化鋅納米棒陣列的形貌和光學性質(zhì)進行了研究。結(jié)果顯示,制備的半球形氧化鋅納米棒陣列在可見區(qū)(450nm到640nm)具有光捕獲效應(yīng)。通過控制水熱過程中的前驅(qū)體的濃度和反應(yīng)時間,很容易的

5、調(diào)控周期性的半球形ZnO納米棒陣列的間距和密度。同時,在可見光區(qū)域的光捕獲效果可以從450nm、64nm調(diào)節(jié)到480nm、650nm,這與半球形ZnO納米棒陣列的周期性相關(guān)。
　　2、對制備的半球形氧化鋅納米棒陣列進行了光電性質(zhì)的研究,研究了該結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽能電池的效率。將這種結(jié)構(gòu)高溫退火,用染料N719浸泡后進行效率的測試,發(fā)現(xiàn)與半球形的氧化鋅種子層相比,經(jīng)過水熱生長的半球形氧化鋅納米棒陣列效率有明顯的提高,但是與平膜的相同

6、水熱生長條件下的樣品相比,效率不如平膜結(jié)構(gòu)。這是由于半球形氧化鋅納米棒陣列高溫煅燒后PMMA揮發(fā),使得氧化鋅納米棒和基底FTO的接觸不牢固,造成電阻太大,短路電流很低;此外氧化鋅納米棒的長度較短,染料分子吸附量太小也影響了效率的提高。為了提高電荷的傳導性能,我們考慮在PMMA結(jié)構(gòu)上面構(gòu)筑金導電層,然后再磁控濺射氧化鋅種子層進行水熱生長,對構(gòu)筑了金層的氧化鋅納米棒陣列的光電性質(zhì)進行了研究,通過觀察它的I-V特性曲線,發(fā)現(xiàn)隨著前驅(qū)體濃度的變

7、大和生長時間的增加,暗電流和光電流都有所提高。
　　3、考慮到貴金屬不僅會增加電荷的傳輸通道,在與圖案化結(jié)構(gòu)相結(jié)合時還具有等離子體共振效應(yīng)。因此,我們對金納米圓頂結(jié)構(gòu)進行了光學性質(zhì)研究。利用磁控濺射技術(shù)在納米圓頂陣列上面濺射不同時間的金層,通過對其吸收光譜的研究,觀察到有兩個吸收峰的存在,其中一個是金本身的特征峰,其波長大約在590nm處;另一個吸收峰大約在880nm到890nm之間,有向短波方向移動的趨勢,這個峰是由于等離子共振