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《吉林大学》 2014年
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Ⅱ-Ⅵ族半导体/氧化锌纳米结构复合薄膜的制备及其光电化学特性研究

马晋文  
【摘要】:太阳能是一种分布广泛,清洁无污染的新型能源,对解决化石燃料储量有限问题以及日益严重的环境污染问题,有着重要的意义。太阳能电池是对太阳能应用的一个很重要的领域,其中,量子点敏化太阳能电池(QDSCs)因其制备工艺简单、生产成本低和理论转换效率高等优点,被认为是一种很有前景的新型太阳能电池。但迄今为止,QDSCs的光电转换效率仍然远低于传统太阳能电池。 QDSCs是由光阳极、电解液和对电极所组成的“三明治”式结构电池,可以对电池各个组分进行探索研究,以不断提高电池的光电转换效率。光阳极主要起到吸收光子产生光生载流子的作用,以及对光生电子起到收集和传输的作用,所以对光阳极的改进可以直接影响电池的效率。 氧化锌(ZnO)是一种宽禁带半导体材料,禁带宽度为3.37eV。ZnO具有合适的能带位置、优良的电子传输特性、良好的形貌可控性、制作工艺简单、成本低廉等优点,被认为是很有前景的太阳能电池光阳极材料。本文从QDSCs的光阳极研究出发,制备出具有不同形貌结构的ZnO薄膜电极,并采用连续离子层吸附反应(SILAR)的方法对其进行量子点敏化,最后对所得Ⅱ-Ⅵ族半导体/氧化锌纳米结构复合薄膜的光电化学性能进行表征分析,主要工作如下: (1)采用水热合成方法在FTO基底表面上制备出了Al元素掺杂的ZnO(AZO)纳米棒阵列薄膜,通过改变溶液中Al3+的浓度来改变ZnO纳米棒中Al元素的含量。PL数据显示Al元素掺杂使得ZnO纳米棒上的缺陷增多;另外,相较于未掺杂的ZnO纳米棒阵列薄膜,AZO纳米棒阵列薄膜的光吸收边出现蓝移现象,归因于Al元素掺杂起到了浅施主作用,使得费米能级向导带方向移动,导致禁带宽度增大。 (2)采用SILAR方法对ZnO和AZO纳米棒阵列薄膜进行CdSe量子点敏化,对这些电极的光电化学性能进行了研究。研究发现ZnO光阳极在外加电压相对于饱和Ag/AgCl参比电极为0V时的光电流密度为0.34mA/cm2;AZO光阳极的光电流密度为0.33mA/cm2,较单纯ZnO有所下降,归因于Al掺杂导致的缺陷变成了空穴电子的复合中心,降低了光生载流子的分离效率;CdSe敏化所得的光阳极ZnO/CdSe和AZO/CdSe的光电流密度最佳值分别为2.48mA/cm2和4.28mA/cm2,光电化学特性相较单纯ZnO都有很大提高,归因于CdSe拓展了薄膜对可见光的吸收,且CdSe与ZnO(AZO)之间的异质结有于光生空穴电子对的分离;另,AZO/CdSe的光电化学特性优于ZnO/CdSe,归因于Al掺杂增加了AZO纳米棒上的活性中心,从而增加了CdSe的沉积量。 (3)首次采用水热合成方法在FTO基底上制备出大面积高能面裸露的ZnO纳米片阵列薄膜。考察了反应时间和柠檬酸钠的用量对ZnO纳米片阵列薄膜形貌的影响。发现柠檬酸钠的引入对ZnO纳米片阵列薄膜的形成起到关键的生长导向作用。所得ZnO纳米片阵列薄膜沿着[110]晶向择优生长,裸露面为高能{0001}晶面。通过对电极的光吸收特性和光电化学性能进行分析,发现采用柠檬酸钠为0.05g、反应时间为12h时,所得薄膜电极的光电化学性能为最佳。 (4)采用SILAR方法制备Ⅱ-Ⅵ族半导体/氧化锌纳米片阵列复合薄膜,并对其光电化学性能进行研究。研究发现随着量子点沉积次数的增加,复合薄膜的光电化学性能呈现先增大后减小的规律。当CdS量子点和CdSe量子点进行单独敏化时,复合薄膜光阳极的光电化学性能分别在9层和7层时达到最优,在三电极体系下测试所得相对于饱和甘汞电极(SCE)为0V时的光电流密度分别为2.12mA/cm2和3.1mA/cm2。而当CdS和CdSe共同敏化时所得光阳极的光电流密度则为4.42mA/cm2,远大于CdS和CdSe单独量子点敏化电极。说明共敏化对光阳极的光电化学性能提高更加明显。
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