基于ZnO的异质结的组建及其光电性能研究

论文摘要

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源是解决能源危机的最佳途径之一。近些年来,半导体-半导体异质结、染料敏化半导体材料等异质结构,由于易于实现光生电荷分离被广泛应用于提高太阳能的转化效率以及光电子器件的研制和开发方面。ZnO是一种重要的半导体光电材料,在可见光区有很高的透过率,是一种新型的透明半导体材料。另外,ZnO具有价格低廉,毒性小,来源丰富等众多优点而成为制备光电器件的优良材料,具有很高的开发和应用价值。本文以ZnO为基础与无机p型半导体材料NiO和有机染料N719分别构造了异质结构,并通过表面光电压的测试研究了光生电荷的重新分布过程,为其在光电转换方面的应用提供了实验和理论的基础,主要做了以下有意义的工作:1.本文采用纯度为99.99%的ZnO、NiO和18.2 MΩ的去离子水与聚乙烯醇配置的稀粘合剂溶剂作为原料制作ZnO、NiO陶瓷靶材。首先按聚乙烯醇与去离子水质量比为1:10混合,然后将混合物放入水域中加热,并进行磁力搅拌,温度设定为90oC左右,磁力搅拌至澄清为止;然后用天平称取一定量的ZnO、NiO粉末放入玛瑙研钵中,滴入适量的聚乙烯醇粘结剂,并进行研磨,直至ZnO、NiO粉末成为细小均匀的颗粒;接着将研磨好的粉末放入模具内压制成型,并进行脱胶。最后将脱胶后的靶材放在专用智能控温箱式炉中,在空气气氛下烧结成ZnO、NiO陶瓷靶材。2.采用激光分子束外延技术分别在Si衬底和石英衬底上制备出结晶质量良好的ZnO薄膜和NiO薄膜,并利用X射线衍射、拉曼谱、光致发光谱、透射谱等表征手段对制备出的样品进行表征。结果表明采用激光技术制备出的ZnO、NiO薄膜结晶较好,在可见光区有较高的透过率,为以后基于ZnO、NiO的器件的制备和应用打下了基础。3.利用激光分子束外延技术在FTO导电玻璃衬底上制备出整流特性较好的ZnO/NiO异质结。并采用X射线衍射、扫描电镜、紫外可见吸收谱、光致发光谱、电学测试、表面光电压谱等手段对其进行表征测试。表面光电压测试表明,由于ZnO和NiO之间良好的能级相对位置,通过构造ZnO/NiO异质结可以使ZnO原有峰位（373 nm）的光电压响应大大增强。另外,还可以在可见光区390-600 nm引起新的较强的光电响应宽带,这是由于缺陷和NiO禁带中的亚能级引起的。这对于未来光伏产业的发展和太阳能的转化利用具有一定的积极促进作用。4.采用激光分子束外延技术在FTO导电玻璃上制备出结晶良好的ZnO薄膜,并使用N719染料对ZnO薄膜进行染料敏化,敏化过程采用浸渍法。通过ZnO薄膜在N719敏化前后的紫外可见吸收光谱、表面光电压谱、光致发光谱、拉曼谱等各方面的比较,探索了有机染料和无机半导体材料之间的相互作用。结果表明N719对ZnO的敏化可以促进光生电荷的分离,增强表面光电压,同时抑制光生电荷的复合,减弱光致发光的强度。为有机染料和无机半导体之间的化学吸附作用和电荷能量转移提供有力证据。这对于促进染料敏化太阳能电池在光伏产业中的实际应用有一定的积极意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 的结构
• 1.2.1 ZnO 的晶体结构
• 1.2.2 ZnO 的电子能带结构
• 1.3 ZnO 的光、电性质
• 1.3.1 禁带宽
• 1.3.2 可见光区透过率高
• 1.3.3 紫外发射强
• 1.3.4 导电性好
• 1.3.5 光电性能好
• 1.4 表面光电压技术
• 1.4.1 表面光电压谱
• 1.4.2 表面光电压谱仪的构造
• 1.4.3 表面光电压的产生机理
• 1.5 本论文的研究内容
• 1.6 本论文的研究意义
• 参考文献
• 第2章 ZnO 和NiO 薄膜的制备及表征
• 2.1 激光分子束外延技术简介
• 2.1.1 激光分子束外延的基本结构
• 2.2 ZnO、NiO 陶瓷靶材的制备
• 2.2.1 ZnO、NiO 陶瓷靶材的制备流程
• 2.2.2 ZnO、NiO 陶瓷靶材的XRD 表征
• 2.3 L-MBE 技术制备ZnO 薄膜
• 2.3.1 Si 衬底上生长ZnO 薄膜
• 2.3.1.1 ZnO 薄膜的生长
• 2.3.1.2 Si 衬底上ZnO 薄膜的XRD 图
• 2.3.1.3 Si 衬底上ZnO 薄膜的Raman 谱分析
• 2.3.1.4 Si 衬底上ZnO 薄膜的光致发光谱
• 2.3.2 石英衬底上生长ZnO 薄膜
• 2.3.2.1 石英衬底上ZnO 薄膜的XRD 图
• 2.3.2.2 石英衬底上ZnO 薄膜的透射谱
• 2.4 L-MBE 技术制备NiO 薄膜
• 2.4.1 Si 衬底上生长NiO 薄膜
• 2.4.1.1 Si 衬底上生长NiO 薄膜的XRD 图
• 2.4.2 石英衬底上生长NiO 薄膜
• 2.4.2.1 石英衬底上生长NiO 薄膜的XRD 图
• 2.4.2.2 石英衬底上生长NiO 薄膜的透射谱
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第3章 ZnO/NiO p-n 异质结的组建及其光电性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验和测试
• 3.2.1 样品的制备
• 3.2.2 样品的测试
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 结构和形貌
• 3.3.2 ZnO/NiO 异质结的整流特性
• 3.3.3 透射谱分析
• 3.3.4 表面光电压谱分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 N719 染料和ZnO 薄膜之间的能量和电荷转移
• 4.1 引言
• 4.2 实验和测试
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 样品的测试
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 结构和形貌
• 4.3.2 紫外—可见吸收光谱
• 4.3.3 表面光电压谱
• 4.3.4 光致发光谱
• 4.3.5 拉曼谱分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 攻读硕士期间完成的论文
• 致谢