氧化锌及其铝掺杂纳米颗粒的制备及在染料敏化纳米晶太阳能电池中的应用

摘要

氧化锌(ZnO)是一种n型半导体，其带隙为3.3-3.6 eV，室温下激子束缚能为60meV，所以在常温下ZnO具良好的发光功能，同时ZnO也具有光电导性和光催化活性，在纳米器件诸如发光二极管、光电二极管、波导器件、气体传感器和光电池等方面有良好的应用前景。铝掺杂的氧化锌薄膜(AZO)的电阻率很低，约2.4×10<'-4>Ω·cm，与导电性能优良的ITO导电玻璃相当；AZO的带隙为3.4-3.9 eV，在可见光和近红外部分具有良好的透光性；另外，AZO无毒、价廉、容易制备，在酸性条件下性质也很稳定，基于这些独特的性质，AZO薄膜可用作光电池中的透明导电电极材料。 近来，各种结构的ZnO纳米颗粒已经成功制备，并已在光电子设备和电子设备上进行了广泛的应用研究，发现ZnO纳米颗粒的尺寸、形貌和分散度等对器件的影响很大。另外，在对ZnO进行掺杂研究时发现，掺杂物质的类型和其纳米范围内的量子尺寸效应对功能材料的性能有着很大的影响，所以对ZnO掺杂物质种类和尺寸的研究非常重要。针对ZnO以及AZO研究中纳米材料的制备及其在染料敏化纳米晶太阳能电池应用中存在的问题，本论文进行了以下研究： 1．利用水热法制备出了不同形貌的纳米ZnO颗粒。研究了表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮—K30(PVP)在控制纳米颗粒尺寸以及分散度方面的作用，并通过控制水热过程加热方式和加热时间等可分别得到ZnO纳米颗粒、纳米片和纳米棒。利用TEM、XRD和SEM来表征粒子的大小、形貌和转变过程。 2．利用湿化学法制备了分散好、小尺寸(粒径~5nm左右)的纳米晶和长度在550~800 nm的AZO纳米棒。TEM观察显示纳米棒具单一的晶体结构和生长择优取向。X射线能谱仪(EDS)显示Al已成功掺杂于ZnO纳米棒内。 3．利用水热法制备出粒径约40nm的AZO纳米颗粒。利用SEM和XRD确定其形貌和晶相，并将这些纳米颗粒制成薄膜，研究了薄膜在紫外-可见光范围内的光吸收和光透射情况。测量了薄膜的电阻，发现其导电性良好，电阻率在0.12 Ω·cm左右。 4．利用水热法制各出粒径~15nm的ZnO纳米颗粒，对其重新水热处理可得到ZnO纳米片。用TEM、SEM 和XRD表征其晶相和形貌，用紫外-可见光光谱仪研究了由ZnO纳米片组成的薄膜的光吸收情况：将薄膜组装成染料敏化纳米晶太阳能电池后，其电池的填充因子为0.55，短路电路为2.059 mA/cm<'2>，开路电压为0.593V，光电转换效率达剑1.55％。

目录

文摘

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Introduction

1. Motivation

2. Objectives

3. Summary of this thesis

Chapter 1: Background

1.1 Nanomaterials

1.2 Physical Properties of ZnO Nanostructures

1.2.1 Mechanical Properties

1.2.2 Piezoelectric effect and polar surfaces

1.2.3 Electrical Properties of ZnO nanostructure

1.2.4 Chemical Sensing

1.3 Nanostructures Synthesis Techniques

1.3.1 Physical Vapor Deposition

1.3.2 Chemical Vapor Deposition

1.3.3 Solution-Based Chemistry

1.4 Aluminum doped ZnO nanostructures (AZO)

1.5 Dye-sensitized nanocrystalline solar cells

1.5.1 Operation principle of the dye-sensitized nanocrystalline solar cell [DSSC]

1.5.2 Panchromatic sensitizers

1.5.3 Solid-state dye-sensitized solar cells

1.6 References:

Chapter 2: The Effect of PVP Addition and Heat-treatment Duration on Zinc Oxide Nanoparticles

2.1 Introduction

2.2 Materials

2.3 Experimental

2.4 Results and discussion

2.5 Conclusions

2.6 References

Chapter 3: Al doped ZnO Nanorods Synthesized By a Wet Chemical Method

3.1 Introduction

3.2 Materials

3.3 Experimental

3.4 Results and discussion

3.5 Conclusions

3.6 References

Chapter 4: Preparation and Properties of Zinc Oxide Doped with Aluminum Nanostructured Thin Film

4.1 Introduction

4.2 Materials

4.3 Experimental

4.4 Results and discussion

4.5 Conclusions

4.6 References

Chapter 5: Preparation of ZnO Nanoparticles and Nanosheets Thin Films and their Application to Dye-sensitized Solar Cells

5.1 Introduction

5.2 Materials

5.3 Experimental

5.4 Results and discussion

5.5 Conclusions

5.6 References

Chapter 6: Conclusions

The publishing papers

ACKNOWLEDGEMENTS