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ZnS、ZnO、TiO_2微纳结构设计合成与光致发光、光电转换性能研究

作　者: 张新华
导　师: 陈翌庆
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 纳米材料 微纳结构 ZnO ZnS TiO2 光致发光 染料敏化太阳能电池
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  8-10
ABSTRACT  10-20
第一章 绪论  20-38
  1.1 引言  20-21
  1.2 纳米材料与纳米技术概述  21-27
    1.2.1 纳米材料的分类及基本性质  21-22
    1.2.2 纳米材料的形成原理及制备技术发展趋势  22-27
  1.3 ZnS、ZnO 以及TiO_2 微纳结构基本性质、研究现状及应用  27-33
    1.3.1 ZnS 微纳结构  27-28
    1.3.2 ZnO 微纳结构  28-32
    1.3.3 TiO_2 微纳结构  32-33
  1.4 本论文的选题背景及主要研究内容  33-35
  参考文献  35-38
第二章 辅助催化生长In 掺杂的ZnO/GeO_2核-壳微纳结构及其光致发光性能研究  38-51
  2.1 引言  38-39
  2.2 实验原理与路线设计  39
  2.3 实验过程与表征方法  39-41
  2.4 实验结果与讨论  41-47
    2.4.1 样品的物相表征  41
    2.4.2 样品的形貌结构表征  41-44
    2.4.3 形成机理分析  44-47
  2.5 光致发光性能研究  47-48
  2.6 本章小结  48-49
  参考文献  49-51
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  51-79
  3.1 引言  51
  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  51-57
    3.2.1 实验过程与表征方法  51-52
    3.2.2 产物的物相成分分析  52
    3.2.3 具有“Z”型弯曲的ZnS 纳米结构的形貌结构表征  52-56
    3.2.4 具有“Z”型弯曲的ZnS 纳米结构的生长机制分析  56-57
    3.2.5 具有“Z”型弯曲的ZnS 纳米结构的光致发光性能分析  57
  3.3 锌箔衬底上外延生长蟹足状ZnS 微纳结构  57-63
    3.3.1 实验过程与表征方法  58
    3.3.2 产物的物相成分分析  58-59
    3.3.3 蟹足状ZnS 微纳结构的形貌结构表征  59-62
    3.3.4 蟹足状ZnS 微纳结构的形成过程分析  62
    3.3.5 蟹足状ZnS 微纳结构的光致发光性能分析  62-63
  3.4 锌衬底上催化生长调制的ZnO 分级结构  63-71
    3.4.1 实验过程与表征方法  63-64
    3.4.2 产物物相成分分析  64-65
    3.4.3 调制的ZnO 分级结构的形貌结构表征  65-69
    3.4.4 调制的ZnO 分级结构的形成机理分析  69-70
    3.4.5 调制的ZnO 分级结构的光致发光性能分析  70-71
  3.5 Cu-In 合金上遗传生长In_2O_3 微纳结构  71-74
  3.6 本章小结  74-76
  参考文献  76-79
第四章 海胆状TiO_2微纳结构合成及其光电转换性能研究  79-102
  4.1 引言  79
  4.2 海胆状TiO_2 微纳结构的合成及生长过程分析  79-89
    4.2.1 实验原理与设计思路  79-80
    4.2.2 实验过程与表征方法  80
    4.2.3 海胆状TiO_2 微纳结构的表征分析  80-86
    4.2.4 形成机制分析  86-89
  4.3 基于海胆状TiO_2 微纳结构的DSCs 光阳极制备及光电转换性能研究  89-95
  4.4 TiO_2 纳米针/P25 复合光阳极的制备及光电转换性能研究  95-99
  4.5 本章小结  99-100
  参考文献  100-102
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  102-121
  5.1 引言  102-103
  5.2 热处理金属锌层合成海胆状ZnO 微纳结构  103-109
    5.2.1 实验原理与设计思路  103
    5.2.2 实验过程与表征方法  103
    5.2.3 海胆状 ZnO 微纳结构的表征及生长过程分析  103-109
  5.3 海胆状 ZnO 微纳结构的水热处理  109-112
  5.4 海胆状 ZnO 微纳结构形貌演化过程分析  112-114
  5.5 海胆状 ZnO 微纳结构的光致发光性能  114-115
  5.6 基于海胆状 ZnO 微纳结构的 DSCs 的组装及性能测试  115-116
  5.7 本章小结  116-118
  参考文献  118-121
第六章 总结与展望  121-123
攻读博士学位期间参与的项目和已发表的论文  123-124

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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