ZnO基Ⅱ型同轴纳米线可控合成及其光伏应用

摘要

近来，由于持续增长的能源危机和环境保护意识，光伏器件已成为一个热门的课题。许多研究都集中在如何提升这类使用氧化物半导体，如ZnO，TiO2的太阳能电池和光电化学电池(PEC)的效率上。这些氧化物半导体有这大且固定的带隙，使得它们都不能有效地吸收太阳光的可见光区域，从而导致电池效率低下。一个可选的策略是在纳米线外包裹一层窄带隙半导体，例如ZnSe，CdSe，CdS，PbSe和ZnCdSe，应用这个方法已经把材料的吸收拓展至可见光区域。由于光俘获范围有限以及光激发电子注入效率低等原因，大部分的这种核壳结构的光电转化效率(PCE)都较低。相比起二元材料，通过控制组分，三元合金ZnCdSe具有带隙可调的优点，这点可用于获得更高吸收和更合适的能带结构，从而实现转化效率的提升。尽管有着这些优点，ZnxCd1-xSe壳层的低晶体质量会降低电池效率。人们投入了很多的努力在提高晶体质量和优化能带结构。然而，由于组分不易控制，鲜有直接利用CVD方法制备合金壳层的报道。
　　本文利用化学气相沉积法(CVD)直接制备了ZnO，ZnO/ZnSe，ZnO/CdSe，ZnO/ZnxCd1-xSe同轴纳米线。此外，通过实验表征这些纳米线来研究它们的形貌，结构和光学性质。在上述核/壳结构的基础上制作了太阳能电池并评估了电池的光伏性能。
　　本文主要结果如下所示:
　　(1)使用CVD方法在AZO衬底上制备出了垂直有序排列的ZnO纳米线阵列。扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射谱(XRD)的表征测试结果显示ZnO纳米线优先生长择向为纤锌矿结构的(001)方向。深紫外-可见光透射谱和光致发光谱(PL)表明了ZnO纳米线阵列有这较好的晶体质量。
　　(2)使用CVD方法在ZnO纳米线阵列的表面沉积了ZnSe和CdSe壳层。通过改变生长条件，如生长时间、源材料和衬底之间的距离，可以控制壳层的尺寸。形貌和结构的研究证实在ZnO核的外侧形成了壳层。透射谱显示通过增加窄带隙半导体作为壳层材料，如ZnSe或者CdSe，吸收边能被最大化延伸至可见光区域。
　　(3)使用共蒸发CVD法制备了壳层组分可调的ZnO/ZnxCd1-xSe同轴纳米线。为了控制壳层的形貌与结构，我们对不同的生长条件进行了研究。三元合金ZnCdSe壳层的组分可以通过改变源和衬底之间的距离来调控。XDR结果显示壳层的结构由闪锌矿(ZB)渐变为纤锌矿(WZ)，随着Zn含量的减少，ZnCdSe合金的特征峰位移动至更小的角度，这进一步证实了组分的变化。透射电子显微镜(TEM)显示了在ZnO/Zn0.51Cd0.49Se中生长了一层共格的纤锌矿界面层。共格层能抑制晶相转变，这有利于降低适配应力和提高晶体质量。透射谱分析表明纳米线的有效带隙能通过调控组分降低到2.67 eV到1.74 eV。
　　(4)我们使用了ZnO/ZnSe，ZnO/CdSe和ZnO/ZnCdSe核/壳纳米线阵列组装了太阳能电池并测试了电池的光伏性能。I-V特性显示了ZnO/Zn0.51Cd0.49Se纳米线电池效率最高，为3.68％，对应的短路电流(Jsc）为13.64 mA，开路电压(Voc)为0.75V。入射单色光子-电子转化效率(IPCE)的最大值为51％证实了该结构有着更好的晶体质量和电荷分离效率。时间分辨光致发光谱(TPRL)测试显示ZnO/Zn0.51Cd0.49Se有最长的载流子寿命，这有助于提高电荷收集效率。

目录

声明

摘要

Abstract

Chapter Ⅰ Introduction

1．1 Energy crisis in the world

1．2 Solar Spectrum

1．3 Basics of solar cell

1．4 Development of solar cells

1．5 Type Ⅱ core／shell nanowire heterostructures

1．5．1 Semiconductor heterostructures

1．5．2 Type Ⅱ heterostructure materials

1．6 Type Ⅱ core／shell nanowire solar cells

1．7 Thesis structure

References

Chapter Ⅱ Growth method and characterization techniques

2．1 Nanowires growth method

2．2 Characterization techniques

2．2．1 Scanning electron microscope

2．2．2 Energy dispersive X-ray spectroscopy

2．2．3 Transmission electron microscopy

2．2．4 X-Ray diffraction

2．2．5 Photoluminescence

2．2．6 UV-vis Absorption Spectroscopy

References

Chapter Ⅲ Controlled growth of ZnO nanowire arrays

3．1 Synthesis of ZnO nanowire arrays

3．2 Controlled growth of ZnO nanowire arrays

3．2．1 Effect of growth temperature on ZnO nanowire arrays

3．2．2 Effect of oxygen flow rate on ZnO nanowire arrays

3．2．3 Effect of Zn vapor pressure On ZnO nanowire arrays

3．3 Characterization of ZnO nanowire arrays

3．3．1 Morphology

3．3．2 Material Structures

3．3．3 Optical properties

3．4 Conclusions

References

Chapter Ⅳ Synthesis of ZnO／ZnSe and ZnO／CdSe coaxial nanowires for photovoltaic applications

4．1 Control growth of ZnSe shell layer on ZnO nanowire arrays

4．1．1 Effect of temperature on the ZnSe shelllayer

4．1．2 Effect of growth time on the ZnSe shelllayer

4．1．3 Effect of distance from source on ZnSe shelllayer

4．2 Characterization and optical analysis of type-Ⅱ ZnO，ZnSe core shell nanowwire

4．2．1 Morphology

4．2．2 Material structure

4．2．3 Optical properties

4．3 Control growth of CdSe shell layer On ZnO nanowire arrays

4．3．1 Effect of temperature on the CdSe shell layer

4．3．2 Effect of growth time on the CdSe shell layer

4．3．3 Effect of distance from source on CdSe shell layer

4．4 Characterization and optical analysis of type-Ⅱ ZnO／CdSe core／shell nanowires

4．4．1 Morphology

4．4．2 Material structure

4．4．3 Optical properties

4．5 Conclusion

References

Chapter Ⅴ Synthesis of ternary alloy ZnO／ZnCdSe coaxial nanowires for photovoltaic applications

5．1 Controlled growth of ZnCdSe shell layer on ZnO nanowire arrays

5．1．1 Effect of growth temperature on the ZnCdSe shell layer

5．1．2 Effect of growth time on the ZnCdSe shell layer

5．1．3 Efleet of distance from source on the ZnCdSe shell layer

5．2 Characterization and optical analysis of type-Ⅱ ZnO／ZnCdSecore／shell nanowires

5．2．1 Morphology

5．2．2 Material structure

5．2．3 Optical properties

5．3 ZnO／ZnxCd1-xSe core／shell nanowires solar cell fabrication

5．4 Solar cell performance

5．4．1 Ⅰ-Ⅳ characteristics and IPCE

5．4．2 Time resolved photoluminescence

5．5 Conclusions

References

Chapter Ⅵ Summary

References

PUBLICATIONS

ACKNOWLEDGMENT