ZnO纳米棒晶薄膜的溶液化学法制备与性能研究

摘要

能源与环境问题日益突出,纳米晶太阳能电池(NPC)以其工艺简单,成本低廉以及可望规模化生产等优势成为绿色能源领域的研究热点.本文综述了NPC电池及其光阳极材料的发展,研究了纳米ZnO棒晶薄膜的溶液化学法制备及其在辅助电场下的生长,并对ZnO纳米棒晶薄膜的生长机理进行了讨论. 本文采用过饱和硝酸锌/氢氧化钠溶液在ZnO晶种面上制备均匀一致,取向好,长径比大的ZnO纳米棒晶薄膜；用相平衡图和羟基氧化反应讨论了无电场和电场下ZnO薄膜的沉积机理；采用了SEM、XRD、YEM、HRTEM和UV-VIS表征了薄膜的相组成、结晶形貌和透光率. 提出了过饱和溶液中ZnO的结晶包括特定表面上的异质成核和随后的晶体生长两个过程；溶液化学法中ZnO纳米棒沿c轴方向层状生长:外加电场下OH氧化,产生的H<'+>增加基底附近的过饱和度,同时电场促进离子的吸附和扩散,降低成核势垒.二者均有助于ZnO纳米棒的生长. 研究了基底的预处理及无电场和电场下各种溶液生长条件如前驱体溶液的浓度、沉积的温度和时间对纳米棒生长的影响.研究表明,制得的ZnO纳米棒直径约25 nm,生长1.5 h后长600～800 nm.无电场时制得的ZnO纳米棒属纤锌矿结构,而在电场下制得的主要是红锌矿结构.ZnO晶种面的织构对纳米棒的形态具有明显的影响,300～400℃热处理、急冷或低的拉膜速度或适量PEG添加的条件下制备的晶种面具有更高的晶体取向和较少的表面缺陷.从而导致生长面高的成核密度,使得ZnO纳米棒能够在垂直于基底的方向上择优生长.溶液生长条件对纳米棒的尺寸也具有显著的影响.随溶液前驱体浓度的增加,ZnO纳米棒径略微增大而棒长显著变大.对于一定浓度的前驱体溶液,纳米棒在特定温度下有最大棒长,且这一最佳温度随前驱体溶液浓度变大而升高.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2太阳能电池介绍

1.2.1无机太阳能电池

1.2.2有机太阳能电池

1.2.3纳米晶光伏电池(NPC电池)简介

1.3纳米晶太阳能电池的光阳极

1.3.1光阳极的基本要求

1.3.2 ZnO的特性

1.4一维纳米材料的制备方法

1.4.1气相-液相-固相(Vapor-Liquid-Solid，VLS)生长法

1.4.2溶液-液相-固相(Solution-Liquid-Solid，SLS)生长法

1.4.3气相-固相(Vapor-Solid，VS)生长法

1.4.4溶剂热合成法

1.4.5分子自组装

1.4.6模板法

1.4.7水溶液化学法

1.4.8其他方法

1.5一维纳米ZnO薄膜的研究进展

1.6问题的提出

第二章实验与研究方法

2.1实验所用原料与设备

2.1.1实验原料

2.1.2实验设备

2.2方案设计及实验过程

2.2.1方案设计

2.2.2实验过程

2.3测试与表征

2.3.1测试仪器

2.3.2测试方法

第三章结果与讨论

3.1纳米棒生长机理的探讨

3.1.1成核

3.1.2晶体生长

3.2晶体结构

3.3晶种面织构对ZnO纳米棒生长形貌的影响

3.3.1不同热处理温度下的晶种面

3.3.2不同冷却方式下的晶种面

3.3.3不同拉膜速度下的晶种面

3.3.4不同PEG添加量下的晶种面

3.4溶液反应条件对ZnO纳米棒生长的影响

3.4.1生长溶液浓度

3.4.2沉积温度

3.4.3沉积时间

3.5电场辅助下ZnO纳米棒的生长

3.5.1电场作用的机理

3.5.2电场的正效应

3.5.3不同电势下ZnO纳米棒的生长

3.5.4电场下浓度的影响

3.5.5电场下温度的影响

第四章结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢