ZnO微纳结构的光电应用及界面研究

摘要

ZnO作为一种重要的Ⅱ-Ⅵ半导体材料已被应用于诸多领域:光催化处理污水，气敏传感器，压电器件，太阳能电池，生物工程等。ZnO是一种直接带隙的宽禁带氧化物半导体(Eg=3.37 eV)，具有独特的电、光以及电化学性能。在本文的研究中，采用水热法制备了形貌可控的ZnO微纳材料，详细开展了ZnO微纳结构的物性表征，并将其应用于光催化剂、气敏传感器及其染料太阳能电池散射层中，具体内容如下:
　　1.采用水热法我们成功的合成了分层多孔的ZnO微米球。该多层的ZnO超结构是由具有许多孔洞的纳米片相互连接而成的纤锌矿结构。我们通过PL光谱，XPS以及EPR对其进行表征，测试结果表明，样品中的锌元素的主要价态为+2价，并且没有0价的锌存在，而且ZnO表面的Zn元素和O元素的浓度比大约为1.11，据此我们推测出我们所制备的多层花状ZnO微米球的表面主要缺陷来自于氧空位(Vo)和氧间隙(O1)。
　　2.利用简单的油浴、水热法成功的合成了负载Au纳米颗粒的多层花状ZnO微米球和未负载Au纳米颗粒的ZnO微米球。并对这两种材料进行了光催化降解活性和气敏传感器性能的测试。通过对罗丹明B的光催化降解测试我们发现负载Au纳米颗粒后ZnO微米球的降解速率由0.43/min提高到了1.76/min。此外，Au纳米颗粒功能化的ZnO微米球展现出了更加优越的气敏传感性能，其性能比未负载Au纳米颗粒的ZnO性能提高3倍。尤其是对酞酸二丁酯的检测达到了1 ppb量级。
　　3.采用无模板水热法一步合成了多壳层的ZnO微米球，将这种材料应用到染料敏化太阳能电池散射层(DSSCs)，这种独特结构的核壳微米球既可以增加入射光的散射又能增加染料分子的负载量，其中三壳层ZnO的PCE达到了7.66％，相对于双壳层ZnO的5.78％，能量转换效率增加了接近三分之一。而其PCE性能增强的原因主要由于:多孔的外壳有利于光的吸收，光照射在样品的表面，通过介孔进入样品内部的核壳中，并经过多次的散射，使得样品能够吸收更多的入射光;粗糙的介孔表面有利于吸附大量的染料分子，从而提高对光子能量的吸收效率。我们的研究表明通过这种特殊结构的设计来增加光的吸收和散射，是增强材料光电性能有效途径之一。这也可能会提供一种新的研究思路来获得高光电转化效率的DSSCs。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 ZnO半导体光催化技术

1．2．1 光催化技术的基本原理

1．2．2 ZnO光催化研究进展

1．3 ZnO基染料敏化太阳能电池散射层研究

1．3．1 染料敏化太阳能电池的基本原理

1．3．2 散射层在染料敏化太阳能电池中的作用

1．3．2 ZnO基染料敏化太阳能电池散射层的研究进展

1．4 ZnO半导体材料简介

1．4．1 ZnO的基本性质

1．4．2 ZnO的晶体结构

1．4．3 ZnO的缺陷

1．5 本论文的研究内容和意义

参考文献

第二章 实验方法及测试手段

2．1 ZnO半导体材料的制备方法及所用仪器

2．1．1 花状多孔及金负载的ZnO微米球的制备

2．1．2 多孔空心多壳层ZnO的制备

2．2 ZnO半导体材料的测试方法

2．2．1 形貌及结构测试

2．2．2 半导体特性表征

第三章 花状ZnO微米球的制备及其表面缺陷的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3．1 形貌和结构表征

3．3．2 表面缺陷分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 载金ZnO微球的光催化及气敏特性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 ZnO纳米颗粒的制备方法

4．2．2 Au纳米颗粒负载的空心ZnO微米球的制备方法

4．2．3 光催化及气敏性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 结构与形貌表征

4．3．2 光催化及气敏性能分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 多壳层ZnO微米球的制备及其染料敏化电池的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 多壳层核壳结构的ZnO微米球的合成

5．2．3 制备ZnO浆料

5．2．4 制作染料敏化太阳能电池(DSSCs)

5．3 结果与讨论

5．3．1 形貌与结构表征

5．3．2 紫外吸收光谱测试

5．3．3 DSSCs性能分析

5．4 本章小结

参考文献

第六章 工作总结与展望

致谢

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