一維TiO2與ZnO納米陣列的設(shè)計(jì)、制備及性能研究.pdf

1、納米有序陣列，尤其是在透明導(dǎo)電基底上制備的無(wú)支撐自立納米棒與納米管有序陣列可在多種器件上進(jìn)行應(yīng)用。當(dāng)將納米陣列用于光伏器件時(shí)，這些結(jié)構(gòu)可以增加電荷生成層與電荷傳遞層之間的界面面積，提高提取電荷的效率。本論文選取TiO2與ZnO兩種目前研究最廣泛的寬禁帶金屬氧化物半導(dǎo)體材料，通過(guò)不同技術(shù)手段制備了TiO2與ZnO的納米棒與納米管陣列，研究探討了這些納米陣列在納米器件領(lǐng)域，尤其是在有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池器件領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　在ITO

2、玻璃表面磁控濺射Al層，然后陽(yáng)極氧化可制得多孔陽(yáng)極氧化鋁（AAO）膜/ITO玻璃復(fù)合模板。為了避免陽(yáng)極氧化過(guò)程中 AAO膜的破裂和脫落，在濺射高純A l前，添加了Ti和W層分別作為連接層和緩沖層。磁控濺射后，通過(guò)熱處理消除了濺射層的內(nèi)應(yīng)力，改善了各濺射層之間的結(jié)合力。在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，當(dāng)發(fā)展較快的孔洞到達(dá)Al層底部時(shí)，會(huì)氧化底部的W緩沖層，對(duì)孔洞的快速發(fā)展起到緩沖作用，從而延緩了AAO膜底部的破裂和脫層，使大面積納米孔洞陣列得以生成。<

3、br>　　采用溶膠-凝膠電泳法在AAO/ITO復(fù)合模板內(nèi)填充TiO2納米棒與納米管有序陣列，電泳法制備的TiO2納米結(jié)構(gòu)隨TiO2溶膠陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，由納米棒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米管結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在AAO模板孔洞底部的環(huán)狀W電極是形成不同結(jié)構(gòu)的前提，而溶膠溶液中帶電粒子的擴(kuò)散速度和納米陣列的沉積速度的競(jìng)爭(zhēng)則是形成不同結(jié)構(gòu)的原因。將制備的TiO2納米陣列與p型聚合物聚3-己基噻酚（P3HT）結(jié)合，制成TiO2納米陣列/P3HT無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化太陽(yáng)

4、能電池。納米棒和納米管太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別是0.38％和0.48%。相比文獻(xiàn)中類似方法制備的TiO2納米晶結(jié)構(gòu)雜化太陽(yáng)能電池0.22%的轉(zhuǎn)換效率，本文中制備的TiO2納米棒與納米管陣列太陽(yáng)能電池效率提高了約73%到118%的效率，顯示了納米有序陣列結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)勢(shì)。
　　通過(guò)磁控濺射、熱處理二步法在獨(dú)立AAO模板上制備出TiO2納米陣列。AAO模板參數(shù)對(duì)TiO2的納米結(jié)構(gòu)具有決定作用，200 nm的孔徑導(dǎo)致納米管結(jié)構(gòu)的生成，

5、80 nm孔徑的雙面開(kāi)孔模板導(dǎo)致納米棒結(jié)構(gòu)的生成，而80 nm的單孔模板導(dǎo)致閉口納米管的生成。XRD分析顯示TiO2納米管陣列為多晶銳鈦礦結(jié)構(gòu)，光致發(fā)光（PL）譜分析發(fā)現(xiàn)制備的納米管與納米棒陣列都為間接帶隙半導(dǎo)體，納米棒中的氧空位缺陷多于納米管結(jié)構(gòu)。將TiO2納米管陣列層從AAO模板脫離，轉(zhuǎn)移到ITO玻璃上，旋涂一層P3HT，組成TiO2納米管/P3HT雜化太陽(yáng)能電池。研究發(fā)現(xiàn)，具有TiO2結(jié)合層結(jié)構(gòu)的TiO2納米管/P3HT雜化太陽(yáng)能

6、電池性能比無(wú)結(jié)合層的電池顯著提高，光電轉(zhuǎn)換效率提高了8倍，達(dá)到0.34%。而采用n型富勒烯衍生物PCBM與P3HT充分混合后，由于電子-空穴對(duì)的有效分離，短路電流密度提高了近5倍，達(dá)到9.98 mA cm-2；光電轉(zhuǎn)換效率提高了近6倍，達(dá)到2.07%。
　　利用電沉積、熱處理二步法在AAO模板中制備出了ZnO納米管陣列和Cu@ZnO納米同軸電纜陣列。在光致發(fā)光測(cè)試中，Cu@ZnO納米同軸電纜被激發(fā)出綠光發(fā)射帶，說(shuō)明在Cu@ZnO納

7、米同軸電纜界面處的ZnO被 Cu摻雜。還將獨(dú)立 AAO模板上的ZnO納米陣列合成技術(shù)轉(zhuǎn)移到AAO/ITO復(fù)合模板，在ITO玻璃上制備出ZnO納米棒與納米管有序陣列, ZnO有序陣列的載流子密度約為2.67×1020 cm-3，在透明導(dǎo)電氧化物領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
　　通過(guò)一步電沉積法在ITO導(dǎo)電玻璃上制得ZnO納米棒陣列。在溫度為55℃時(shí)，得到的是致密的ZnO膜，而在85℃時(shí)，得到的是ZnO納米棒陣列，說(shuō)明ZnO膜的形貌取決于

8、沉積溫度。用85℃電沉積得到的ZnO納米棒陣列組裝的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Ag太陽(yáng)能電池具有與ZnO納米棒陣列共型形貌。對(duì)于未退火ZnO納米棒陣列制備的太陽(yáng)能電池，暴露在ZnO底部的主導(dǎo)缺陷區(qū)與共混聚合物直接接觸，導(dǎo)致了嚴(yán)重的電流泄露。而通過(guò)退火消除ZnO底部暴露在外的缺陷，以及通過(guò)沉積更致密的ZnO納米棒來(lái)阻止共混聚合物與主導(dǎo)缺陷區(qū)的接觸都可以有效避免電流的泄露，從而進(jìn)一步提高電池的開(kāi)路電壓。由于P3HT與PCBM的混合