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电沉积可控制备ZnO纳米阵列及其光电化学性质研究

卢辉  
【摘要】:一维有序氧化锌(ZnO)纳米阵列与分级ZnO纳米阵列以其优越的结构特性,被广泛用作染料敏化太阳能电池(DSSCs)的光阳极材料。本论文采用低温、简捷的电沉积法,在不同基底上可控制备得到不同形貌的ZnO纳米结构阵列,研究了电沉积参数对于ZnO纳米结构阵列合成的影响规律,探讨了不同形貌ZnO纳米结构阵列的光电化学性质。 采用一步电沉积方法,通过调控ZnO纳米棒的生长速度与自侵蚀速度,在FTO基底上制备得到了粒径较小、尺寸均一、取向性好的ZnO纳米管阵列,系统研究了基底预处理、溶液pH值、Zn2+浓度、沉积电位、沉积时间和沉积温度对于可控制备ZnO纳米管阵列的影响,阐明了ZnO纳米管阵列的形成机理。通过调控ZnO纳米管的形貌及结构,实现了对其禁带宽度与光致发光特性的可控调节。探讨了纳米管表面的本证缺陷情况,测试了ZnO纳米管的光电转换性能。结果表明:在pH值为3.70的0.005mol L-1ZnCl2与0.1mol L-1KCl混合前驱液中,-1.3V下沉积10s获得大量ZnO晶核后,-1.0V下沉积1800s可直接制备得到垂直于基底生长,平均直径约为188nm,平均壁厚约为50nm的纳米管阵列。但基于ZnO纳米管阵列的光电转换性能较差,仅为0.06%。 采用电沉积方法,在柔性不锈钢网基底上,制备得到了尺寸均一、取向性好的ZnO纳米棒阵列,详细探讨了沉积参数对于可控制备ZnO纳米棒阵列的影响,实现了ZnO纳米棒阵列的可控制备。研究了不同形貌ZnO纳米棒阵列对DSSCs光电转换效率的影响,初步阐明了两者之间的相互依存关系。结果表明:采用0.0005mol L-1ZnCl2与0.1mol L-1KCl混合前驱液,在-1.O V下沉积1800s,重复沉积3次可使ZnO纳米棒阵列的长度由0.8μm增加至2.2μm,并获得了0.43%的光电转换效率。 采用两步电沉积方法,通过对初级ZnO纳米棒阵列进行胶体铺膜预处理,在柔性不锈钢网基底上制备得到了“花状”结构的分级ZnO纳米棒阵列。次级结构直接生长于初级ZnO纳米棒的表面,平均直径约为78nm,长度约为500nm。探讨了初级结构与次级结构制备参数对于分级结构的影响,研究了基于不锈钢网基底分级ZnO纳米棒阵列光阳极的光电转化效率与相应结构之间的关系。结果表明:在柔性不锈钢网基底上,基于分级ZnO纳米棒阵列的DSSCs相比于初级ZnO纳米棒阵列,其光电转换性能由0.43%提升到了0.72%。采用ZnO纳米粒子修饰分级ZnO纳米棒阵列表面,在60℃下敏化6h后,可进一步将ZnO基DSSCs的光电转换效率提升至1.11%。


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