Cu2O、ZnO纳微结构薄膜的制备及其光电性能研究

论文摘要

新能源的开发和利用是当今世界面临的重大课题之一,在太阳能电池研究领域,探索具有潜在应用前景的新材料薄膜太阳能电池,并寻求提高其光电转换效率的途径是极其重要的研究方向。目前开发的太阳能电池的种类虽然很多,但其光电转换效率普遍偏低,制备工艺复杂,存在稳定性差和环境污染等问题。为了提高光电转换效率,降低成本,提高电池的稳定性,解决环境污染,我们改进了太阳能电池制备技术,开发了新型薄膜太阳能电池材料。本文对Cu2O颗粒薄膜、ZnO纳米棒阵列薄膜及Cu2O/ZnO纳米棒阵列复合薄膜光电极进行了制备和性质研究,主要工作如下：(1)以透明导电玻璃ITO为基底,研究阴极还原Cy2O的电化学行为,通过条件控制制备出不同形貌的Cu2O薄膜,讨论了其可能的形成机理。(2)对不同形貌的Cu2O薄膜进行了光电化学性能研究,发现树枝状结构的Cu2O薄膜具有较好光响应特性,光电转换效率较高,可作为太阳能电池的电极材料。(3)分别采用电化学和水热两种方法在FTO表面制备了沿[002]方向择优生长的ZnO纳米棒阵列薄膜。结果发现,水热生长的ZnO纳米棒阵列平整而致密,光电化学转换效率明显高于电化学方法生长的ZnO纳米棒阵列,且效率的高低与纳米棒的长度有关,纳米棒长度为3.0μm左右时,光电转换效率最高。(4)采用两步电化学方法制备了Cu2O/ZnO纳米棒复合薄膜,考察了Cu2O的沉积时间,颗粒的大小,形貌和厚度对复合薄膜的光电性能影响。结果表明,沉积Cu2O的量比较少,颗粒较小时,相比于单层ZnO电极,Cu2O的引入提高了光生载流子的分离效率,Cu2O/ZnO复合薄膜的光电性能有了显著提高。若沉积Cu2O的量比较多,厚度较大,Cu2O薄膜层的引入反而成为光生载流子的复合中心,降低Cu2O/ZnO复合薄膜的光电转换效率。(5)以水热方法生长的ZnO纳米棒为基底,制备了Cu2O/ZnO纳米棒复合薄膜,研究了Cu2O纳米颗粒的大小,形貌和厚度对复合薄膜的光电性能影响。结果表明复合薄膜的光电性能变化规律与两步电化学方法制备的Cu2O/ZnO纳米棒复合薄膜相似,Cu2O纳米颗粒较小时,复合薄膜的光电转换效率高。(6)对用水热方法生长的ZnO纳米棒得到的Cu2O/ZnO复合薄膜,采用简单的工艺组装了太阳能电池。考察了Cu2O/ZnO异质结薄膜太阳能电池对不同波长的光的响应特性,探讨了光电转换机理。(7)分析对比了两种不同形貌的ZnO纳米棒对电池效率的影响,结果表明,水热生长的平整而致密的ZnO纳米棒薄膜,不但解决了因电化学生长的ZnO纳米棒之间存在空隙而短路的问题,更有利于提高光电池的光伏性能。该种纳米棒及复合材料在光电子器件方面有应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 太阳能电池的发展历程
• 1.3 太阳能电池的种类
• 1.3.1 硅太阳能电池
• 1.3.2 无机化合物半导体薄膜太阳能电池
• 1.3.3 有机聚合物多层修饰电极型太阳能电池
• 1.3.4 敏化太阳能电池
• 1.4 太阳能电池的工作原理与主要参数
• 1.5 氧化亚铜的基本性质、制备方法和用途
• 1.5.1 氧化亚铜的基本性质
• 1.5.2 氧化亚铜的用途
• 1.5.3 氧化亚铜的制备方法
• 1.6 氧化锌的基本性质和用途
• 1.6.1 氧化锌的基本性质
• 1.6.2 氧化锌的用途
• 1.6.3 ZnO的制备方法
• 1.7 本文的主要研究内容
• 2O薄膜的制备及其光电性质'>第二章 碱性条件下Cu₂O薄膜的制备及其光电性质
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 主要试剂和实验仪器
• 2O薄膜的制备'>2.2.2 Cu₂O薄膜的制备
• 2.3 样品的表征
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）和X射线能谱（EDS）分析
• 2.3.2 场发射扫描电镜（FESEM）分析
• 2.3.3 光电化学性质
• 2.4 本章小结
• 2O薄膜的制备及其光电性质'>第三章 酸性条件下Cu₂O薄膜的制备及其光电性质
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 X射线衍射（XRD）分析
• 3.3.2 X射线光电子能谱（XPS）分析
• 3.3.3 场发射扫描电镜（FESEM）分析
• 3.3.4 光电性质
• 3.4 本章小结
• 2O/ZnO复合薄膜的制备和表征'>第四章 Cu₂O/ZnO复合薄膜的制备和表征
• 4.1 引言
• 4.2 电化学ZnO纳米棒的制备和表征
• 4.2.1 电化学ZnO纳米棒的制备
• 4.2.2 X射线衍射（XRD）分析
• 4.2.3 场发射扫描电镜（FESEM）分析
• 4.2.4 UV-vis吸收光谱分析
• 2O/ZnO复合薄膜的制备和表征'>4.3 Cu₂O/ZnO复合薄膜的制备和表征
• 2O/ZnO复合薄膜的制备'>4.3.1 Cu₂O/ZnO复合薄膜的制备
• 4.3.2 X射线衍射（XRD）分析
• 4.3.3 透射（TEM）和高分辨电镜（HRTEM）分析
• 4.3.4 X-射线能谱（EDS）分析
• 4.3.5 场发射扫描电镜（FESEM）分析
• 4.3.6 光电性质
• 4.4 本章小结
• 2O/ZnO异质结太阳能电池的制备和表征'>第五章 Cu₂O/ZnO异质结太阳能电池的制备和表征
• 5.1 引言
• 5.2 水热ZnO纳米棒的制备和表征
• 5.2.1 水热ZnO纳米棒的制备
• 5.2.2 X射线衍射（XRD）分析
• 5.2.3 场发射扫描电镜（FESEM）分析
• 5.2.4 光电性质
• 2O/ZnO复合薄膜的的制备和表征'>5.3 Cu₂O/ZnO复合薄膜的的制备和表征
• 2O/ZnO复合薄膜的的制备'>5.3.1 Cu₂O/ZnO复合薄膜的的制备
• 5.3.2 X射线衍射（XRD）分析
• 5.3.3 场发射扫描电镜（FESEM）分析
• 5.3.4 光电性质
• 2O/ZnO异质结薄膜太阳能电池的的制备和表征'>5.4 Cu₂O/ZnO异质结薄膜太阳能电池的的制备和表征
• 2O/ZnO异质结薄膜太阳能电池的的制备'>5.4.1 Cu₂O/ZnO异质结薄膜太阳能电池的的制备
• 5.4.2 I-V特性分析
• 5.4.3 光电转换量子效率（IPCE）
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 博士期间获得的奖励
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢