zno纳米线阵列构筑、界面调控及其光电的应用

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1、THEFABRICATION,INTERFACEMODULATIONOFZnONANOWIRESARRAYANDTHEIRPHOTOELECTRICALAPPLICATIONSADissertationSubmittedtotheGraduateSchoolofHenanUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceByHanxiaoSupervisor:Associateprof.ChengKe,Prof.DuZuliangMay,2013摘要阵列化纳米结构可以为光生电子

2、-空穴对提供必需的分离界面，并为分离后的光生载流子提供直接的传输通道，这使得阵列化纳米结构在光伏器件领域受到广泛关注。其中，纤锌矿结构的ZnO因其具有较大的带隙（3.36eV）、室温下较高的激子束缚能（60mV）以及机械和热学上的稳定性，被认为是最有前途的光电功能材料之一。在过去几年中，国际、国内研究者利用ZnO纳米结构（如纳米线、纳米棒、纳米环和纳米管）在光伏领域开展了大量的研究工作。就目前的研究结果来看，基于ZnO纳米结构的太阳电池，其填充因子FillFactor（FF）和开路电压Voc还远低于它们各自所对应的传统平面结构的太阳能电池。在这种纳米阵列结构中，较低的FF和Vo

3、c意味着其电荷的最终收集效率低于传统结构太阳电池的收集效率，主要原因在于：（1）传统量子点敏化ZnO纳米线阵的方式使得量子点的担载量有限，且均一性较差；（2）低温水热生长技术的特点使得ZnO纳米线阵列表面存在大量的载流子复合中心，纳米尺度下这种表面态和界面态会严重影响光生载流子的分离和传输特性；（3）传统无序ZnO种子层生长的ZnO纳米线阵列结构往往难以保证纳米线严格地垂直基底生长，相互交叉的ZnO纳米线会导致其他半导体材料在纳米棒之间空隙填充的困难，难以形成理想的、完全的异质结构。针对上述问题，我们开展了以下三个方面的研究工作：一、CdSNPs/ZnONWs复合结构的化学水浴

4、和低温水热法制备及其光电性能：首先利用低温水热法制备了ZnO纳米线（NWs）阵列，然后用化学水浴法将CdS量子点（QDs）沉积在所制备的ZnONWs上，构筑了CdSNPs/ZnONWs半导体异质结构。I-V测试结果表明：与单一的ZnONWs阵列相比，CdSNPs/ZnO异质结构的光电流增加约两个数量级；表面光电压谱（SPS）测试结果表明：其光电响应范围与其吸收结果相对应向长波区域扩展，并且其强度也得到较大程度的提高；并研究了不同CdSNPs沉积时间对表面光电压响应的影响。二、离子交换法构筑ZnxCd1-xSe@ZnO核壳纳米线阵列结构及其光电性能：通过水热生长和离子交换反应，在

5、FTO导电衬底上制备了组分连续可调的ZnxCd1-xSe@ZnO核壳结构纳米线阵列。表面光电压谱结果表明：其光电响应范围I可随着壳层组分的变化扩展到可见光区，并且其响应强度逐步增加，这是由于表面形成的II型异质结构，使得其光生电子-空穴对的分离和传输能力得到提高；以ZnxCd1-xSe@ZnO作为量子点敏化太阳能电池的光阳极，在多硫电解质体系中评价了不同离子交换温度对其光电转换能力的影响；在此基础上，研究了不同背电极（Cu2S、PbS和Cu2ZnSnS4）材料的催化活性对其光电转换效率的影响。得益于ZnxCd1-xSe@ZnO核壳纳米线阵列较高的光生载流子的分离和传输效率以及C

6、u2S纳米墙结构背电极较高的催化能力，在多硫电解质体系中得到了1.70%的光电转换效率。三、纳米球模板组装技术（NSL）定点生长ZnO纳米棒阵列：为提高ZnO纳米线阵列的有序性，利用磁控溅射和离子束溅射方法制备了取向性较好的ZnO种子层，并利用廉价、简易和间距可调的PS微球作为模板制备孔洞间距可调的Au网格有序结构；在孔洞的限位作用下，通过水热生长的方法定点生长具有周期性的、取向性较好的ZnO纳米线阵列结构。关键词：CdSNPs/ZnONWs复合结构；ZnxCd1-xSe@ZnONWs核壳纳米线阵列；量子点敏化太阳能电池；背电极材料；定点生长ZnO纳米线。IIABSTRACTT

7、hearrayednanostructuresarewidelyusedinsolarcellstoenhancetheseparationandcollectionefficiencyofphoto-generatedcarriersduetotheirabilitiestoprovidethenecessaryseparationinterfaceanddirectpathwaysforcarriertransport.Amongthem,thewurtzitestructuredZnO