ZnSe纳米线的制备、表征和性质研究及其在聚合物/无机复合太阳能电池中的应用

论文摘要

具有宽禁带的直接带隙II-VI族半导体材料,在短波长光电器件中具有重要的应用。其一维纳米材料由于其结构及量子特性,近年来成为了该领域研究的热点。本论文以ZnSe为研究对象,利用较为简单、经济的脉冲激光沉积方法,研究ZnSe一维纳米材料的制备、表征、性质、生长机理及其在聚合物／无机复合太阳能电池中的应用。本论文的研究主要包括了以下三部分内容：第一部分介绍了脉冲激光沉积方法制备硒化锌纳米线及样品的表征和性质。利用PLD方法合成的ZnSe纳米线,是以Si（100）为衬底,在真空度为2×10-4pa的背景下,先在室温的条件下沉积一层50nm厚的催化剂Ni,接着加热Ni覆盖的衬底至300-C,然后在这个温度下沉积ZnSe纳米线。脉冲激光能量为40mJ,激光频率为10Hz,沉积持续时间为30分钟。对所合成的ZnSe纳米线的表面形貌、晶体结构和光学性质分别进行测试。通过SEM观察样品的表面形貌,在衬底上密集生长了ZnSe纳米线。纳米线从底部生长,方向比较无序,密度约为8×1009cm-2。单根ZnSe纳米线为针状的,底部较粗,顶部较细,长度约为200nm。XRD结果显示,合成的ZnSe纳米线薄膜为面心立方结构,具有较强的（111）衍射峰。HRTEM结果显示,PLD方法合成的单根ZnSe纳米线具有较好的晶体结构,没有明显的缺陷。而SAED的结果也显示单根ZnSe纳米线具有较好的单晶结构。紫外-可见光吸收谱和光致发光特性的研究结果发现,与体材料ZnSe相比,ZnSe纳米线的吸收峰和边带发射峰都有显著的蓝移。这些结果说明,由于量子限制效应,使得ZnSe纳米线的禁带宽度增大。第二部分研究了衬底、衬底温度、催化剂、生长时间等实验条件对ZnSe纳米薄膜生长的影响以及脉冲激光沉积方法合成ZnSe纳米线的生长机理。论文本部分研究了Si（100）、蓝宝石（0001）和石英三种衬底对ZnSe纳米薄膜生长的影响,通过对样品的表面形貌观察,发现衬底对ZnSe纳米薄膜的表面形貌具有很大的影响。在Si（、100）上合成了ZnSe纳米线,在石英衬底上生长的是ZnSe纳米棒,而在蓝宝石衬底上ZnSe则是以纳米颗粒的形式存在。本部分还研究了对于两种不同的催化剂（Au和Ni）在不同衬底温度下ZnSe纳米线的生长情况。结果显示,只有当衬底温度在合适的范围时,ZnSe纳米线才能合成,并且不同的温度下,ZnSe纳米线分别有needle-like和sphere-leading两种形貌。ZnSe纳米线的生长与衬底温度是否达到催化剂的熔点有关,纳米线的两种形貌与受衬底温度影响的熔融催化剂的状态有关。为了跟踪PLD方法合成的ZnSe纳米线的生长情况,本部分也研究了5—60 min等几种不同生长时间对ZnSe纳米线生长的影响。脉冲激光沉积方法生长的ZnSe纳米线随着沉积时间的加长,不断地变粗、变长,但形貌相似。第三部分探索了ZnSe纳米线在聚合物/无机复合太阳能电池中的应用。有机聚合物太阳能电池由于其低成本、易制作、延展性好、可柔性等优点,在太阳能电池领域具有重要的地位。然而由于在有机聚合物内,激子的分离效率很低,导致有机聚合物太阳能电池的效率低下。为了使有机聚合物内的激子更有效地分离从而提高太阳能电池效率,一种有效的方法就是加入无机纳米材料。本论文中设计了一种基于ZnSe纳米线的聚合物/无机复合太阳能电池结构,并对这种复合结构太阳能电池的制备和性质进行了初步的探索。紫外-可见光吸收谱的结果显示,ZnSe纳米线的存在有利于有机聚合物太阳能电池对光的吸收。I-V特性的结果发现,比起没有ZnSe纳米线存在的有机聚合物太阳能电池,基于ZnSe纳米线的有机/无机复合太阳能电池的开路电压和填充因子有一定的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 脉冲激光沉积方法
• 1.3 ZnSe纳米材料
• 1.3.1 纳米材料
• 1.3.2 ZnSe纳米材料的结构及性质
• 1.3.3 一维ZnSe纳米材料的制备
• 1.3.4 一维ZnSe纳米材料的应用
• 1.4 基于ZnSe纳米线的有机聚合物/无机复合太阳能电池
• 1.4.1 有机聚合物太阳能电池
• 1.4.2 基于一维无机纳米线的有机聚合物/无机复合太阳能电池
• 第二章 脉冲激光沉积方法制备ZnSe纳米线及其表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 脉冲激光沉积方法原理
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 ZnSe纳米线的制备
• 2.4 ZnSe纳米线的表征
• 2.4.1 ZnSe纳米线样品的形貌（SEM）
• 2.4.2 ZnSe纳米线样品的晶体结构（XRD）
• 2.4.3 单根ZnSe纳米线的形貌及晶体结构（TEM、HRTEM、SAED）
• 2.4.4 单根ZnSe纳米线的成份（EDS）
• 2.4.5 紫外-可见光吸收
• 2.4.6 光致发光
• 2.5 本章小结
• 第三章 实验条件对ZnSe纳米薄膜生长的影响及生长机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 衬底对ZnSe纳米薄膜生长的影响
• 3.3 衬底温度和催化剂对ZnSe纳米薄膜生长的影响
• 3.3.1 Au作为催化剂时,衬底温度对ZnSe纳米薄膜生长的影响
• 3.3.2 Ni作为催化剂时,衬底温度对ZnSe纳米薄膜生长的影响
• 3.4 生长时间对ZnSe纳米薄膜生长的影响
• 3.5 PLD方法合成的ZnSe纳米线的生长机理研究
• 3.5.1 纳米线的VLS生长模式
• 3.5.2 needle-like ZnSe纳米线生长机理
• 3.5.3 sphere-leading ZnSe纳米线生长机理
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于ZnSe纳米线的聚合物/无机复合太阳能电池的制备研究
• 4.1 引言
• 4.2 聚合物/ZnSe纳米线复合太阳能电池的结构
• 4.3 聚合物/ZnSe纳米线复合太阳能电池的制备
• 4.3.1 实验设备
• 4.3.2 太阳能电池的制备过程
• 4.4 聚合物/ZnSe纳米线复合太阳能电池的性质
• 4.4.1 聚合物/ZnSe纳米线复合太阳能电池的形貌
• 4.4.2 聚合物/ZnSe纳米线复合太阳能电池的光吸收性质
• 4.4.3 聚合物/ZnSe纳米线复合太阳能电池的I-V特性曲线
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间的研究成果