三维微纳米ZnO超结构材料的制备、表征及太阳能电池应用研究

【摘要】：氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带半导体材料,室温下的激子束缚能是60meV,禁带宽度是3.37 eV,加之微纳米结构的ZnO晶体拥有独特的表面效应和量子尺寸效应,使其在光学和电学等多方面展示了优良的性能,因而在实际生活生产中有着广泛的应用前景,比如,压电材料、光催化剂、太阳能电池、纳米激光器及气体传感器等领域。另一方面,ZnO晶体拥有特殊的化学稳定性、热稳定性和生物研究安全性,并且对环境友好,所以ZnO微纳米材料的制备与应用成为当代研究的热点。与简单的低维纳米阵列相比,由一维纳米结构或二维纳米结构组装的特殊形貌的三维微纳米结构材料不仅具有较大的比表面积,孔隙度也进一步提高,因此其不仅包含了三维结构的卓越性能,同时又具有一维或二维结构的特有性能。本论文通过简单的水热法和溶剂热法实现了对由不同的一维结构及二维结构组装成不同形貌的三维超结构材料ZnO的可控制备,同时对其光电性能进行比较分析。其主要研究内容如下：(1)在前期研究的基础之上,我们采用简单的水热法,以浓氨水溶液作为反应体系,通过控制反应时间及其他因素成功制备出了三维海胆状超结构材料ZnO纳米针阵列。通过讨论反应时间对微纳米结构ZnO的形貌和紫外漫反射光谱的影响,得出该结构为高度结晶的六方纤锌矿结构,最佳反应时间为9 h。通过跟踪反应时间与产物形貌的对应关系,针对纳米晶体块的成核与自组装问题,揭示了纳米针组装成三维海胆状超结构材料ZnO的形成机理。同时与前期制备的一维结构材料的结果相比较,由于其特殊的几何形态,光电转化效率提高了77.6%,光电性能进一步优化。(2)以导电玻璃(FTO)为反应基底,采用溶剂热法制备出了三维球状体超结构材料ZnO纳米片阵列。反应过程中,通过调控各项工艺参数,确定最佳工艺条件为：取乙醇-水(v,1：1)混合溶液为反应体系,NaBH4的量为12 mmol、反应温度为120℃、反应时间为6 h。辅助添加剂NaBH4的加入对ZnO晶体的生长产生了特定取向的诱导作用。由于各种形貌的ZnO晶体具有不同的比表面积,其中在上述条件下制备的三维球状体超结构ZnO纳米片阵列的光电性能表现最佳,其短路电流密度为6.76mA/cm2、开路电压为0.692 V、光电转化效率为2.09%。(3)采用简单的水热法,以Zn(CH3COO)2·2H2O为反应原料,通过调控各项工艺参数,成功制备出了三维海胆球状微纳米超结构ZnO纳米棒阵列,排列有序的纳米棒紧密度合适、尺寸均一。实验表明其最佳制备工艺条件为：浓氨水提供温和的碱性环境、NaBH4的量为48 mmol、反应温度与反应时间分别为120℃和3 h。通过分析NaBH4对ZnO晶体结构生长方式的影响,反应温度和反应时间对ZnO晶体结构形貌的调控,实现了微纳米结构ZnO生长取向的可控制备,并提出了其形成机理。不同形貌的ZnO晶体作为染料敏化太阳能电池的光阳极时,表现出不同的光电效应,三维海胆球状微纳米超结构ZnO获得了较高的孔隙率,使比表面积更大,染料吸附更多,在纳米棒(0001)晶面的生长取向下,载流子的传递路径更有效,光生电子的传递速率更快,光电性能更佳。 【关键词】：微纳米结构ZnO 三维海胆球状 生长机理 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ132.41;TB383.1

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容