CuA1O2与ZnO纳米结构制备及其光电化学性质研究

论文摘要

近年来,半导体纳米材料由于其独特的性质和广泛的应用引起了世界范围的关注并得到了蓬勃发展,尤其是这些半导体纳米材料表现出优良的光电性能,光生电子-空穴对可以通过异质结有效分离。并且p-型半导体和n-型半导体的复合得到了广泛的研究,CuAlO2是一种p型铜铁矿结构半导体材料,制备方法简洁,无毒,是一种很有希望的光电材料。氧化锌（ZnO）具有很高的激子束缚态,独特的光学、电学性质,良好的化学稳定性,低廉的制备成本,可利用太阳光等优点而成为理想的光电极材料。如果可以得到CuAlO2/ZnO的异质结,对于提高其光电化学性能是有利的。然而CuAlO2/ZnO纳米棒阵列异质结的制备及其光电化学性能的研究尚少。本文中,我们以金属Ni为基底,在其表面制备CuAlO2晶体薄膜,并在CuAlO2膜表面生长ZnO纳米棒阵列,并对其性能进行了研究。主要工作如下：（1）以未经过预热处理的Ni片为基底,采用溶胶-凝胶法和真空高温热处理过程在其表面制备了鳞片状CuAlO2晶体薄膜。发现煅烧温度对样品的晶体结构和形貌有重要影响。CuAlO2与Ni基底形成了肖特基结,其I-V特性表现出具有电压窗口性质,在正、反向电压高于0.5 V时发生导通。在光照强度为100mW/cm2时,样品的开路电压、短路电流和光电转换效率为分别为0.67 V、0.52mA/cm2和0.14%。（2）以经过预热处理的Ni片为基底,采用相同的制备过程在其表面得到了纤维藤蔓状CuAlO2晶体薄膜。此时CuAlO2与Ni间为欧姆接触,没有形成肖特基结,与上述的鳞片状CuAlO2/Ni具有肖特基结特性相比有本质不同。样品的短路电流和光电转换效率均高于上述鳞片状CuAlO2/Ni样品的结果,其原因可能是纤维状的CuAlO2比表面积大于鳞片状的CuAlO2,可以通过提高光散射强度增强光的捕获能力,而且电解液有更大的接触面积,从而决定其光电化学性能更好。（3）以鳞片状CuAlO2/Ni为基底,采用水热法在其表面生长了ZnO纳米棒阵列。样品的光吸收范围主要集中在紫外光区,其吸收光谱的吸收峰分别对应ZnO和CuAlO2, CuAlO2的光吸收性能略优于ZnO的结果。样品的I-V曲线研究表明CuAlO2和ZnO形成了p-n结。与同样光照条件下鳞片状CuAlO2/Ni的i-v曲线相比,ZnO/鳞片状CuAlO2/Ni纳米结构具有更优异的光电化学性质。其原因是本节所得到的样品,其ZnO纳米棒阵列有利于光吸收,而使光生载流子浓度提高；并且ZnO纳米棒可以通过直接传输途径提高光生载流子的输运能力；另外ZnO纳米棒与电解质液体间有更大的接触面积,使光生空穴更易于转移到固-液界面处。（4）以纤维状CuAlO2/Ni纳米结构为基底,采用上述同样实验过程在其表面生长了ZnO纳米棒阵列。样品的I-V曲线表明CuAlO2和ZnO已经形成p-n结。同样光照条件下,ZnO/纤维状CuAlO2/Ni纳米结构的光电化学性质显著优于纤维状CuAlO2/Ni。无论是鳞片状CuAlO2/Ni还是纤维状CuAlO2/Ni,在其表面生长出ZnO纳米棒阵列后,其光电化学特性都明显地得到提高,其中ZnO纳米棒阵列/纤维状CuAlO2/Ni提高显著,短路电流分3.1 mA/cm2,电转换效率为1.41%。主要原因是：ZnO纳米棒阵列有利于光吸收,从而提高了光生载流子的浓度；光生载流子可以通过ZnO纳米棒的直接传输途径来提高其载流子输运能力；ZnO纳米棒与电解质液体间有更大的接触面积,使光生空穴到固-液界面处的转移效率提高。对于ZnO/CuAlO2/Ni形成“反向”p-n结情况下仍能获得高的短路电流和高的能量转化效率问题进行了解释,提出了在p-n结界面处剩余电荷改变能带关系的模型。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料研究概述
• 1.3 纳米半导体
• 1.3.1 纳米半导体材料
• 1.3.2 纳米半导体材料的光电化学性质
• 1.3.3 半导体的光电化学性质
• 1.4 透明导电氧化物研究背景
• 2薄膜的研究进展'>1.5 P型CuAlO₂薄膜的研究进展
• 2薄膜的晶体结构'>1.5.1 CuAlO₂薄膜的晶体结构
• 2薄膜的制备方法'>1.5.2 CuAlO₂薄膜的制备方法
• 2薄膜的应用前景'>1.6 CuAlO₂薄膜的应用前景
• 2材料的研究进展'>1.7 P型CuAlO₂材料的研究进展
• 1.8 本论文选题背景和研究内容
• 2薄膜的制备及光电性能研究'>第二章 CuAlO₂薄膜的制备及光电性能研究
• 2.1 引言
• 2薄膜的制备'>2.2 片状CuAlO₂薄膜的制备
• 2.2.1 主要试剂和实验仪器
• 2.2.2 实验部分
• 2.2.3 实验结果与分析
• 2纳米纤维薄膜的制备'>2.3 CuAlO₂纳米纤维薄膜的制备
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 实验结果与分析
• 2.4 本章小结
• 2薄膜与ZnO纳米棒阵列的复合及其光电化学性能研究'>第三章 CuAlO₂薄膜与ZnO纳米棒阵列的复合及其光电化学性能研究
• 3.1 引言
• 2薄膜表面生长ZnO纳米棒阵列'>3.2 鳞片状CuAlO₂薄膜表面生长ZnO纳米棒阵列
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 实验结果与分析
• 2薄膜表面生长ZnO纳米棒阵列'>3.3 纤维状CuAlO₂薄膜表面生长ZnO纳米棒阵列
• 3.3.1 实验部分
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 X射线衍射（XRD）分析
• 2/Ni样品的形貌分析'>3.4.2 ZnO/CuAlO₂/Ni样品的形貌分析
• 2/Ni样品的UV-vis吸收光谱'>3.4.3 ZnO/CuAlO₂/Ni样品的UV-vis吸收光谱
• 2/Ni样品的I-V特性'>3.4.4 ZnO/CuAlO₂/Ni样品的I-V特性
• 3.4.5 光电化学性质研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 结论与展望
• 4.1 本文结论
• 4.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢