ZnS、ZnO、TiO2微纳结构设计合成与光致发光、光电转换性能研究

论文摘要

通过设计合成,作者制备了In掺杂ZnO/GeO2核-壳的纳米结构、金属（合金）衬底上生长的ZnO、ZnS、In2O3微纳结构以及海胆状TiO2、ZnO微纳结构并对其形成机理进行了分析。采用X-射线衍射分析仪,扫描电子显微镜,透射电子显微镜对所制备材料进行表征,并测试分析了所制微纳结构的室温光致发光性能。本文还探讨了染料敏化电池（DSCs）的制备工艺,利用所合成的TiO2、ZnO微纳结构制备出“三明治”型DSCs器件,并测试分析了所制电池的光电转换性能。全文研究内容概括如下:（1）通过简单的热蒸发ZnO, In2O3,和GeO2混合粉末的方式制备In掺杂ZnO/GeO2核-壳的纳米结构。所合成的掺杂ZnO/GeO2核-壳的纳米结构内部为具有单晶结构的In掺ZnO（IZO）内核,外部为非晶的GeO2壳层。掺杂ZnO/GeO2核-壳的纳米结构自组装成鸟巢状结构。细节分析揭示,In掺ZnO内核是以Ge-In合金液滴为催化剂按Vapor-Liquid-Solid（VLS）机制,沿<01-11>方向生长,而整个生长过程中GeO2壳层起到了很好的保护作用。对产物的室温光致发光谱进行分析发现,其位于510nm（2.43 eV）处的有一较强的绿光发射峰,位于405nm（3.06 eV）的紫光发射峰则相对较弱。（2）以高Zn含量的黄铜（Cu-Zn合金）箔片作为衬底气相合成制备具有“Z”型弯曲的ZnS纳米结构。材料的微结构表征和形成过程分析表明,所合成的ZnS纳米线是利用合金箔片表面热分解遗留下的Cu-Zn液滴作为催化剂以VLS方式的。室温光致发光谱显示,所制备ZnS一维纳米结构的发射谱包括了一个中心位于2.57eV（482nm）蓝色发光峰,一个中心位于2.88eV（430nm）紫色发光峰和一个中心位于3.12eV（397nm）新发光峰。（3）以外延生长的方式合成一维ZnS纳米结构-膜-金属衬底的复杂构造。该复杂构造是由鸟嘴状纳米棒,岛状ZnS膜以及锌片组成的。室温光致发光谱显示,所制备ZnS微纳结构的发射谱包括两个特征峰,一个是中心位于423nm（2.93 eV）处,另一个位于515nm（2.41 eV）处,分别对应着蓝光峰和绿光峰。（4）以Zn片作为衬底气相合成制备出具有调制结构的ZnO分级纳米结构。所制备的分级结构是由球形催化剂颗粒,短棒以及高密度的纳米线构成的。成分检测表明,催化剂颗粒为金属锌。由此证明,Zn可以作为ZnO分级结构以VLS方式生长的催化剂。室温光致发光谱显示,所制备的调制的ZnO分级结构具有两个发光峰带,一个为比较弱的中心位于380nm处的紫外光发射峰,一个为较强的中心位于500nm发光峰。（5）通过直接加热的方式,在Cu-In合金片衬底合成出In2O3微纳结构。分析显示,In2O3微纳结构具有遗传特征。实验中,Cu-In合金片表面受热熔化,再氧化促成了In2O3微纳结构的形成。（6）通过简易的溶剂热方法,在FTO玻璃衬底上生长出海胆状TiO2微纳结构。所制备的海胆状微纳结构是由球形颗粒TiO2及其外部阵列生长的TiO2纳米针构成。对纳米针进行表征分析发现,其具有良好的单晶性能,沿<110>方向生长。（7）以所合成的海胆状TiO2微纳结构作为染料敏化太阳能电池的光阳极,制备了“三明治”型染料敏化太阳能电池。实验测得所制得的电池短路电流密度为3.83mA/cm2,开路电压为0.66V,电池的填充因子为49.2%,计算所得电池总的光电转换效率为1.24%。实验还制备了以TiO2纳米针/P25复合薄膜作为光阳极的DSCs器件,以对比分析TiO2纳米针的作用。（8）通过简单的热处理方法,直接在FTO导电玻璃上制备出海胆状ZnO微纳结构。然后,对所得海胆状纳米结构进行水热处理,使所制得的球形表面的一维纳米结构形貌发生演化。所合成的微纳结构由微球及其表面阵列分布的准一维纳米结构构成。室温光致发光测试表明:熟化前,样品的室温光致发光谱包括了一个中心位于381nm处的弱的紫外发光峰和一个中心位于510nm的强的黄绿光发光峰。熟化后的样品的光致发光谱中只有一个中心位于383处的极强的紫外发光峰。（9）以所制的海胆状ZnO微纳结构作为的光阳极制作“三明治”型染料敏化太阳能电池。实验测得以水热处理前ZnO微纳结构组装的染料敏化太阳能电池的短路电流密度JSC为2.60mA/cm2,VOC为0.668V,填充因子FF为49.5%,转换效率η为0.86%;而水热熟化处理ZnO微纳结构,将大幅提高其组装的染料敏化太阳能电池性能。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 纳米材料与纳米技术概述

1.2.1 纳米材料的分类及基本性质

1.2.2 纳米材料的形成原理及制备技术发展趋势

2 微纳结构基本性质、研究现状及应用'>1.3 ZnS、ZnO 以及TiO₂微纳结构基本性质、研究现状及应用

1.3.1 ZnS 微纳结构

1.3.2 ZnO 微纳结构

2 微纳结构'>1.3.3 TiO₂微纳结构

1.4 本论文的选题背景及主要研究内容

参考文献

2核-壳微纳结构及其光致发光性能研究'>第二章辅助催化生长In 掺杂的ZnO/GeO₂核-壳微纳结构及其光致发光性能研究

2.1 引言

2.2 实验原理与路线设计

2.3 实验过程与表征方法

2.4 实验结果与讨论

2.4.1 样品的物相表征

2.4.2 样品的形貌结构表征

2.4.3 形成机理分析

2.5 光致发光性能研究

2.6 本章小结

参考文献

第三章金属（合金）衬底上生长微纳结构及其光致发光性能研究

3.1 引言

3.2 Cu-Zn 合金衬底上催化生长具有“Z”型弯曲的ZnS 纳米结构

3.2.1 实验过程与表征方法

3.2.2 产物的物相成分分析

3.2.3 具有“Z”型弯曲的ZnS 纳米结构的形貌结构表征

3.2.4 具有“Z”型弯曲的ZnS 纳米结构的生长机制分析

3.2.5 具有“Z”型弯曲的ZnS 纳米结构的光致发光性能分析

3.3 锌箔衬底上外延生长蟹足状ZnS 微纳结构

3.3.1 实验过程与表征方法

3.3.2 产物的物相成分分析

3.3.3 蟹足状ZnS 微纳结构的形貌结构表征

3.3.4 蟹足状ZnS 微纳结构的形成过程分析

3.3.5 蟹足状ZnS 微纳结构的光致发光性能分析

3.4 锌衬底上催化生长调制的ZnO 分级结构

3.4.1 实验过程与表征方法

3.4.2 产物物相成分分析

3.4.3 调制的ZnO 分级结构的形貌结构表征

3.4.4 调制的ZnO 分级结构的形成机理分析

3.4.5 调制的ZnO 分级结构的光致发光性能分析

2O₃ 微纳结构'>3.5 Cu-In 合金上遗传生长In₂O₃微纳结构

3.6 本章小结

参考文献

2微纳结构合成及其光电转换性能研究'>第四章海胆状TiO₂微纳结构合成及其光电转换性能研究

4.1 引言

2 微纳结构的合成及生长过程分析'>4.2 海胆状TiO₂微纳结构的合成及生长过程分析

4.2.1 实验原理与设计思路

4.2.2 实验过程与表征方法

2 微纳结构的表征分析'>4.2.3 海胆状TiO₂微纳结构的表征分析

4.2.4 形成机制分析

2 微纳结构的DSCs 光阳极制备及光电转换性能研究'>4.3 基于海胆状TiO₂ 微纳结构的DSCs 光阳极制备及光电转换性能研究

2 纳米针/P25 复合光阳极的制备及光电转换性能研究'>4.4 TiO₂ 纳米针/P25 复合光阳极的制备及光电转换性能研究

4.5 本章小结

参考文献

第五章海胆状ZnO 微纳结构的合成及其光致发光、光电转换性能研究

5.1 引言

5.2 热处理金属锌层合成海胆状ZnO 微纳结构

5.2.1 实验原理与设计思路

5.2.2 实验过程与表征方法

5.2.3 海胆状 ZnO 微纳结构的表征及生长过程分析

5.3 海胆状 ZnO 微纳结构的水热处理

5.4 海胆状 ZnO 微纳结构形貌演化过程分析

5.5 海胆状 ZnO 微纳结构的光致发光性能

5.6 基于海胆状 ZnO 微纳结构的 DSCs 的组装及性能测试

5.7 本章小结

参考文献

第六章总结与展望

攻读博士学位期间参与的项目和已发表的论文

ZnS、ZnO、TiO2微纳结构设计合成与光致发光、光电转换性能研究

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