有序ZnO纳米棒阵列的构筑、界面调控及其在ZnO/Cu2O光伏电池中的应用

摘要

目前，制约光伏发展的瓶颈在于能量偿还成本上，而在廉价光伏材使用中，光生少数载流子扩散距离较短是引起载流子分离、收集效率低下的主要原因。随着纳米科技的发展人们寄希望于通过构筑纳米结构来提高载流子分离和收集效率，优化器件光伏性能。构筑纳米结构异质结，例如，引入纳米棒、纳米锥、纳米多孔阵列复合结构，可以增加异质结界面面积，增加载流子分离通道，从而改善载流子的分离和收集效率。其中，利用纳米棒阵列复合结构构筑径向的异质结构，可以在不牺牲光吸收的基础上减小载流子的分离距离，以提高光生载流子的分离效率，因此在廉价光伏材料的使用上具有良好的应用潜力。但是，目前所构筑的纳米棒复合结构光伏电池还存在着诸多问题，例如，所使用的纳米棒阵列密度太大，取向杂乱等等，进一步提高光伏器件性能需要对纳米棒阵列几何参数进行优化。在本文中，我们选择 ZnO纳米棒阵列复合薄膜为研究体系，构筑ZnO/Cu2O复合结构光伏电池，并通过对其几何参数设计及其表面性能、以及纳米棒与吸收层的光电荷转移等方面进行深入的研究和了解。主要研究内容可以分为以下几个部分：
　　(1)利用图案化技术制备间隙可调的高度有序ZnO纳米棒阵列：利用电子束曝光技术制备图案化的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板，利用厚度更大的周期性PMMA孔洞模板代替以往工作中较薄的PMMA掩模。在ZnO纳米棒生长过程中，通过PMMA孔洞模板的限制作用来控制ZnO纳米棒的生长位点和生长方向，利用超高浓度的前驱体溶液来增加纳米棒纵向生长速度，解决纳米棒在孔洞中成簇生长的问题，最后成功制备了单根的周期性有序ZnO纳米棒阵列。在本工作中，打破了单根有序ZnO纳米棒生长对单晶基底要求，实现了普通多晶导电ITO基底上有序ZnO纳米棒阵列的制备。电学测试研究表明所制备的有序ZnO纳米棒阵列与ITO基底具有良好的欧姆接触特性，这为有序ZnO纳米棒阵列在光电器件方面的应用提供了条件。
　　(2)利用恒电位-恒电流两步沉积法制备Cu2O薄膜，并研究ZnO纳米棒-Cu2O复合薄膜光伏器件性能：利用电沉积技术在导电基底上成功的制备了Cu2O薄膜，并研究了薄膜的形貌、结构、光电及表面光伏性质。通过对Cu2O的光吸收深度和载流子扩散长度等参数的对比分析，揭示了制约双层平面结构ZnO/Cu2O电池性能提高的主要因素。利用恒电流-恒电位两步沉积法制备Cu2O吸收层薄膜，克服了恒电位沉积时，在初始短时间内的沉积电位过高而引入Cu杂相的问题以及恒电流沉积时随着时间的增加沉积电流减小问题。制备无序ZnO纳米棒-Cu2O复合结构薄膜光伏电池，在ZnO纳米棒周围构筑径向异质结的高载流子收集区域，在这个区域的辅助下，复合薄膜电池可以获得更大的短路电流和能量转化效率，但也表现出较低的开路电压，这主要是由于复合结构引入了较大的载流子界面复合造成的。为了减弱界面复合对电池性能的影响，同时提高ZnO纳米棒间隙Cu2O吸收层的填充量，我们制备了与Cu2O电子扩散长度相匹配的有序ZnO纳米棒阵列，然后在上边沉积Cu2O吸收层，构筑有序纳米棒复合薄膜光伏器件。有序纳米棒复合薄膜电池表现出了更大的短路电流和接近双层平面结构电池的开路电压，最后可以得到较双层平面结构和无序纳米棒复合薄膜结构电池都高的能量转化效率。因此，我们认为优化纳米棒密度是提高纳米棒复合薄膜光伏器件的一个有效途径。
　　(3)进行ZnO/Cu2O界面调控，提高异质结质量：在配置好的Cu2O沉积溶液中溶解ZnO粉末并使之饱和形成缓冲溶液，利用缓冲溶液沉积Cu2O吸收层来降低碱性沉积溶液对ZnO表面的刻蚀问题，从而来提高异质结质量，降低异质结界面态密度。最后在缓冲溶液中制备的Cu2O电池具有更大短路电流、开路电压以及填充因子，电池能量转换效率可以达到0.76％。对异质结理想因子的分析说明器件性能的改善是由异质结界面优化引起的。因此，我们认为通过缓冲溶液法优化电沉积Cu2O/ZnO界面质量是提高光伏器件性能的有效方法。
　　本论文的创新点主要包括：
　　(1)在非外延多晶导电基底上制备了周期性有序ZnO纳米棒阵列，克服了制备垂直基底的ZnO纳米棒阵列对单晶基底要求；
　　(2)通过恒电位-恒电流两步沉积法制备Cu2O薄膜，克服单一沉积模式存在的弊端，并详细研究了Cu2O薄膜的光电性质；
　　(3)将有序ZnO纳米棒应用于Cu2O/ZnO光伏电池性能研究，克服无序纳米棒在复合薄膜器件构筑中对器件性能的影响；
　　(4)通过优化界面提高Cu2O/ZnO异质结体系的光伏性能。

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第一章 绪论

1.1光伏电池研究概况

1.2基于纳米结构的光伏增强研究

1.3 纳米棒阵列光伏电池研究进展

1.4 存在的主要问题

1.5 论文的研究目的、思路以及主要内容

参考文献

第二章 制备高度有序ZnO纳米棒阵列

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 电化学沉积法制备Cu2O薄膜

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与分析

3.4 恒电位-恒电流两步电化学沉积法制备Cu2O薄膜

3.5 本章小结

参考文献

第四章 有序ZnO纳米棒/Cu2O复合结构光伏电池性能研究

4.1前言

4.2 实验部分

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 界面调控对ZnO/Cu2O异质结光伏器件性能影响

5.1前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 实验总结

6.2 工作展望

参考文献

博士期间发表和完成的工作

致谢