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《长沙理工大学》 2015年
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ZnO透明导电纳米线阵列的可控生长研究

胡琳琳  
【摘要】:透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)薄膜是一类比较有特色的功能材料,它同时具有两种突出的性质:可见光透明性和导电性。未掺杂的金属氧化物属于半导体,导电性能不是很好,一般可以通过掺杂或者其他缺陷化学原理增强其导电性。一维ZnO纳米线阵列,由于纳米线尺寸与可见光波尺寸相当,因此具有陷光结构效应,可应用于薄膜太阳电池的透明电极,但单晶纳米线掺杂是一个难点。本文使用电化学沉积的方法,在透明导电玻璃基底低成本、大面积制备Al掺杂ZnO透明导电纳米线阵列。采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、能谱分析仪等手段对样品的表面微观结构、物相组成及形貌进行表征与分析,结合循环伏安谱分析薄膜生长机理。经过比较分析,进而确定电化学反应过程中较佳的Zn2+、Al3+离子浓度、电位大小、极板间距离、温度等实验条件,从而得到最优性能的透明导电ZnO纳米线阵列薄膜,最终实现对Al掺杂ZnO透明导电纳米线阵列的可控生长。获得以下几个方面的结论:(1)电化学沉积ZnO过程中电化学反应、沉淀-溶解、成核-生长三个过程共同决定晶粒形貌,在溶液浓度0.003mol/L、沉积温度70~80℃、极板间距离2cm、沉积电位-1.6~-1.4V之间最有利于长成纳米线阵列,Al掺杂将影响ZnO纳米线阵列的择优生长取向性、形貌及性能。(2)证实Zn(NO_3)_2-Al(NO_3)_3水溶液体系与Zn(NO_3)_2-In(NO_3)_3水溶液体系中电沉积ZnO存在很大的差别。前者可以共沉积制备Al掺杂ZnO纳米线阵列,而后者只能单独沉积出ZnO或In2O3,这可能是Zn(OH)2和In(OH)3溶度积差值较大的缘故。(3)得出实现Al掺杂ZnO透明导电纳米线阵列可控生长的工艺条件,当Al/Zn=1at.%,电沉积时间为60min,阴极还原电位U=-1.5V时,获得结构与性能较优的Al掺杂ZnO透明导电纳米线阵列。(4)比较了四氯化钛与钛酸四丁酯分别作为前驱体溶胶-凝胶法合成TiO_2薄膜的工艺,由于后者的溶胶更容易形成连续网络的[-Ti-O-]n链,制得薄膜更加均匀致密、不容易开裂、导电性较优,更适合于在Al掺杂ZnO透明导电纳米线阵列表面修饰一层细颗粒TiO_2膜。
【关键词】:染料敏化太阳电池 透明导电氧化物 ZnO纳米线阵列 掺杂 电沉积
【学位授予单位】:长沙理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB383.1;TQ132.41
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-10
  • 第一章 绪论10-22
  • 1.1 研究背景及意义10-11
  • 1.2 国内外研究现状11-15
  • 1.2.1 透明导电薄膜的研究现状11-12
  • 1.2.2 氧化物透明导电薄膜的研究现状12
  • 1.2.3 ZnO-TCO薄膜的研究现状12-15
  • 1.3 一维氧化锌纳米材料的制备15-17
  • 1.3.1 ZnO-TCO薄膜制备技术15-16
  • 1.3.2 电沉积法制备技术介绍16-17
  • 1.4 染料敏化太阳能电池的介绍17-19
  • 1.4.1 染料敏化太阳能电池基本概念18
  • 1.4.2 DSSC电池的光电转换机理18-19
  • 1.5 研究内容及创新点19-22
  • 第二章 ZnO透明导电纳米线阵列的电沉积法生长机理22-34
  • 2.1 引言22
  • 2.2 实验部分22-26
  • 2.2.1 实验材料与设备22-24
  • 2.2.2 实验方案与步骤24-26
  • 2.3 结果与分析26-31
  • 2.3.1 循环伏安曲线26-28
  • 2.3.2 溶液的PH值变化28-30
  • 2.3.3 ZnO与掺杂ZnO薄膜成核与长大过程30-31
  • 2.4 本章小结31-34
  • 第三章 Zn(NO_3)_2-Al(NO_3)_3 和Zn(NO_3)_2-In(NO_3)_3 水溶液体系电沉积ZnO生长行为的比较34-44
  • 3.1 引言34
  • 3.2 ZnO薄膜的制备34-35
  • 3.3 结果与分析35-43
  • 3.3.1 ZnO薄膜的XRD分析35-37
  • 3.3.2 ZnO薄膜的SEM表征37-41
  • 3.3.3 ZnO薄膜的成分分析41-43
  • 3.4 本章小结43-44
  • 第四章 Al掺杂ZnO纳米线阵列的结构与形貌调控44-52
  • 4.1 引言44
  • 4.2 ZnO薄膜的制备44-45
  • 4.2.1 不同浓度Al掺杂ZnO薄膜44
  • 4.2.2 不同沉积时间Al掺杂ZnO薄膜44-45
  • 4.2.3 不同沉积电位Al掺杂ZnO薄膜45
  • 4.3 结果与分析45-50
  • 4.3.1 不同Al掺杂浓度下制备的ZnO薄膜表征45-48
  • 4.3.2 不同反应时间下制备的ZnO薄膜表征48-49
  • 4.3.3 不同反应电位下制备的ZnO薄膜表征49-50
  • 4.4 本章小结50-52
  • 第五章 TiO_2膜表面修饰Al掺杂ZnO纳米线阵列52-60
  • 5.1 引言52
  • 5.2 实验材料与方案52-53
  • 5.3 结果与讨论53-58
  • 5.3.1 晶相结构53-55
  • 5.3.2 表面微观形貌55-57
  • 5.3.3 电学性能57-58
  • 5.4 本章小节58-60
  • 总结与展望60-62
  • 全文总结60-61
  • 对未来工作的展望与建议61-62
  • 参考文献62-67
  • 致谢67-68
  • 附录 攻读学位期间取得的学术成果及参与课题68

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