ZnO/ZnSe II型同轴纳米线制备与光伏应用

摘要

近年来，能源危机和环境污染等问题逐渐加深，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、无污染、不受地域限制的清洁能源，太阳能电池的发展引起了人们的极大关注。然而，受限于太阳能电池的生产成本较高、效率较低，未能实现大规模商业化应用。对于提高太阳能电池光吸收和利用效率而言，采用纳米材料特别是纳米线是一种较为有效的方法，其不仅具有比表面积大、晶体质量好等优点，而且阵列结构还可以减少光反射、增加光耦合。目前，ZnO基半导体纳米材料由于原料丰富、生长技术相对成熟而受到广泛关注。最近研究表明，利用ZnO和ZnSe等材料形成的Ⅱ型异质结构可实现电子-空穴对的有效分离，在光伏器件中具有重要的应用前景。然而，ZnO和ZnSe均为宽带隙半导体材料，不利于太阳光有效吸收。为此，如何调控纳米结构材料，降低材料有效带隙成为目前的研究热点。
　　为此，本文优化了垂直排列ZnO纳米线阵列的制备参数及工艺，并详细研究了应力及相结构与材料有效带隙间的内在联系，提出利用应变调控异质界面量子能级间的跃迁方式，以将材料的有效带隙拓展至红外波段的方法，取得了以下几方面成果:
　　(1)采用化学气相沉积法，通过生长温度、氧流量及Zn蒸汽压等参数优化，制备出垂直ZnO纳米线阵列。SEM、XRD表征结果显示，制备的ZnO纳米线为六方纤锌矿结构，沿(001)方向生长，取向一致性好。紫外-可见透射光谱和光致发光谱研究结果表明，ZnO纳米线具有较好的晶体质量。
　　(2)进一步制备了不同壳层厚度的Ⅱ型ZnO/ZnSe同轴纳米线阵列。SEM、XRD、TEM等研究结果显示，同轴纳米线ZnO芯层表面会优先共格生长一层纤锌矿结构ZnSe材料，且通过控制内芯层的直径和外壳层厚度，可调控其晶格常数。当芯层较粗、壳层较薄时，共格生长层晶格常数与ZnO接近;当芯层较细、壳层较厚时，共格生长层晶格常数与ZnSe接近。紫外-可见透射光谱结果显示，随着壳层厚度的增加，共格生长层晶格常数变大，同轴纳米线的有效带隙变小，在红外波段的吸收范围增宽，强度增强，更适合于太阳能电池的应用。
　　(3)利用上述制备的Ⅱ型ZnO/ZnSe异质结同轴纳米线，制作出宽带隙基半导体纳米线太阳能电池。外量子效率测试结果显示，太阳能电池在红外波段就开始有光伏响应，其中，具有20nm厚ZnSe的太阳能电池的响应阈值为1300nm(0.95eV)，在392nm(3.16eV)处获得最大外量子效率达82％，而50nm厚ZnSe的太阳能电池的响应阈值更低，延伸到1350nm(0.92eV)，在410nm～430nm(2.88～3.02eV)范围内获得最大外量子效率为75％，光电转换效率达1.19％。这些结果说明我们制备的ZnO/ZnSe同轴纳米线具有高的界面质量和Ⅱ型界面跃迁吸收效率，且其有效带隙可通过应变和相结构调控，实现近全光谱吸收，有望成为新型高效的太阳能电池功能结构材料。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 太阳能电池的发展与现状

1．2 Ⅱ型异质结同轴纳米线

1．2．1 半导体异质结

1．2．2 Ⅱ型异质结同轴纳米线材料

1．3 Ⅱ型异质结同轴纳米线太阳能电池

1．4 论文框架

参考文献

第二章 纳米线的生长和表征方法

2．1 纳米线的生长方法

2．2 纳米线表征方法

2．2．1 扫描电子显微镜

2．2．2 X射线衍射仪

2．2．3 拉曼散射谱

2．2．4 高分辨透射电子显微镜

2．2．5 光致发光谱

2．2．6 紫外-可见吸收光谱

参考文献

第三章 ZnO纳米线阵列的可控生长

3．1 ZnO纳米线阵列的制备参数

3．2 ZnO纳米线阵列的可控生长

3．2．1 生长温度对ZnO纳米线阵列的影响

3．2．2 氧流量对ZnO纳米线阵列的影响

3．2．3 Zn蒸汽压对ZnO纳米线阵列的影响

3．3 ZnO纳米线阵列的性能表征

3．3．1 表面形貌

3．3．2 晶格结构

3．3．3 光学性能

3．4 本章小结

参考文献

第四章 ZnO／ZnSe Ⅱ型同轴纳米线制备与光伏应用

4．1 ZnO／ZnSe Ⅱ型同轴纳米线制备

4．2 ZnO／ZnSe Ⅱ型同轴纳米线的性能表征

4．2．1 表面形貌

4．2．2 材料结构

4．3．3 光学性能

4．3 ZnO／ZnSe同轴纳米线太阳能电池制备

4．4 ZnO／ZnSe同轴纳米线太阳能电池性能测试

4．4．1 Ⅰ-Ⅴ输出特性

4．4．2 光谱响应

4．4．3 光电转换效率

4．5 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

参考文献

附录 硕士期间发表的论文

致谢