ZnO模板法制备一维纳米阵列结构FeS2及其复合薄膜的研究

摘要

一维纳米阵列由于具备独特的结构特征，如高的比表面积和直接的电荷传输通道，比其对应块体材料展示出更优越的光电性能，因而被广泛应用于光电器件、太阳能电池、光催化等领域。黄铁矿结构 FeS2具有合适的禁带宽度、极高的光吸收系数、组成元素储量丰富、环境相容性好、制造成本低等优点，被认为是一种应用前景广阔的光伏材料。但目前已制得的 FeS2材料往往存在杂质相、缺陷和不满足理想化学计量比等问题，导致组装成的器件光电转换效率普遍较低。因而，在寻求纯相、高品质 FeS2材料制备工艺的同时，有必要从另一个角度来提高材料的性能，即通过结构设计来改善 FeS2材料的光电性能和光电转换效率。并且，发生在其它半导体体系的一些成功案例，如Si、CdTe和CdS/Cu2S，已表明一维纳米结构在很多应用领域拥有更优异的性能。因此本文提出一种基于ZnO模板制备不同一维纳米结构FeS2及其复合薄膜的方法。
　　采用水热法在覆盖有晶种层的FTO导电玻璃基底上生长ZnO纳米棒阵列薄膜，研究晶种层、溶胶浓度、基底和前驱体溶液浓度对 ZnO纳米棒阵列垂直取向的影响。自定义了阵列取向度参数，并提出一种简单的数学统计计算方法。研究结果表明晶种层对阵列的垂直取向起着重要的作用；基底表面粗糙度会影响阵列取向；改变溶胶浓度可调控阵列取向；前驱体溶液浓度对阵列的取向调控影响较弱，但对纳米棒的直径、长径比具有显著的控制作用。
　　以 ZnO纳米棒阵列为模板，经过不同的溶液浸渍处理和后续硫化热处理分别制备出有序取向的黄铁矿结构FeS2纳米棒和FeS2纳米管阵列薄膜。对一维纳米结构FeS2薄膜的组成、结构进行了表征分析，重点对薄膜的光吸收、光响应、电化学性能进行了系统的研究。并对比分析一维结构 FeS2薄膜与纳米颗粒结构FeS2薄膜的光电化学性能，研究一维结构对材料性能的影响，从微观角度提出其作用机制。不同结构 FeS2薄膜均展示出优异的光吸收性能。相比于纳米颗粒结构，一维结构FeS2薄膜具有增强的光电性能、较高的耐腐蚀性和电化学稳定性。
　　对ZnO纳米棒阵列进行溶液处理，然后进行硫化热处理得到ZnO/ZnS/FeS2纳米棒阵列。对三元复合薄膜的组成、结构、形貌进行了详细的表征分析。着重研究相界面结构，发现ZnO/ZnS界面处有错配位错缺陷存在，且ZnO和ZnS具有相同的外延取向关系。对 ZnO/ZnS/FeS2纳米棒阵列的光致发光、光吸收、光响应、辐照稳定性等性能进行了深入的研究。发现 FeS2敏化能显著提高宽禁带半导体的可见光吸收性能和光响应性能，并且 ZnO/ZnS/FeS2复合纳米棒显示出较好的辐照稳定性。从能带作用角度分析了ZnO/ZnS/FeS2性能提高的原因。
　　以ZnO纳米棒、ZnO/ZnS核壳结构纳米棒和ZnO/ZnS/FeS2复合纳米棒分别为光阳极与 Pt对电极组装太阳能电池；以 ZnO/ZnS/FeS2复合纳米棒为光阳极，分别与Pt、FeS2纳米棒和FeS2纳米颗粒薄膜对电极组装太阳能电池并测试电池性能，对比分析光阳极和对电极材料对电池性能影响。以 ZnO/ZnS/FeS2为光阳极和 Pt为对电极组装的量子点太阳能电池具有相对较高的性能，但与其它体系电池相比效率仍较低。这与电池组装工艺、电极结构及电解液体系等因素有关。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 一维纳米阵列结构

1.3 一维ZnO纳米结构

1.4 一维FeS2纳米结构

1.5 FeS2纳米材料在光电化学领域的应用

1.6 本论文的选题背景和研究内容

第二章 材料制备方法与表征手段

2.1 实验设计方案

2.2 实验方法

2.3 结构及性能表征方法

第三章 ZnO纳米棒阵列薄膜的制备及取向调控

3.1 ZnO纳米棒阵列的制备

3.2 结构、形貌表征与结果分析

3.3 制备条件对ZnO纳米棒阵列取向度影响

3.4 生长机制

3.5 本章小结

第四章 FeS2纳米棒阵列的制备及光电性能研究

4.1 FeS2纳米棒阵列薄膜的制备

4.2 FeS2纳米棒阵列薄膜的结构及形貌表征

4.3 FeS2纳米棒阵列薄膜的表面分析

4.4 FeS2纳米棒阵列薄膜的光电性能分析

4.5 生长机制及结构对性能作用机制的探讨

4.6 本章小结

第五章 FeS2纳米管阵列的制备及光电化学性能研究

5.1 FeS2纳米管阵列的制备

5.2 合成方案

5.3 组成、形貌及结构表征

5.4 光电化学性能

5.5 本章小结

第六章 ZnO/ZnS/FeS2复合纳米棒阵列的制备及性能研究

6.1 材料的制备与表征

6.2 薄膜的物相及形貌结构分析

6.3 ZnO纳米棒和ZnO基复合纳米棒的表界面研究

6.4 薄膜的光电化学性能研究

6.5 QDSSCs性能探索

6.6 结果讨论与分析

6.7 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间所取得的科研成果