ZnO纳晶多孔薄膜的制备及其气敏和光敏性能

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ZnO半导体材料,属于宽禁带半导体,具有高的化学稳定性、优良的光电性能和压电性能,在场发射,气体传感器以及染料敏化太阳能电池中有广泛的应用,并引起人们的广泛关注。本论文采用电化学沉积法以及胶体刮涂法制备ZnO纳晶薄膜,并探究其在气敏和量子点敏化太阳能电池等方面的应用。研究内容主要包括:(1)以Ti片作为基底,采用电化学沉积法,在含有不同浓度曙红(Eosin Y,EY)的氧气饱和的ZnCl2和KCl溶液中,70℃下制备得到了ZnO/EY复合薄膜。重点研究了在Ti片基底上EY添加量对ZnO薄膜形貌和孔结构的影响,探讨了完全脱附EY的ZnO纳晶多孔薄膜的气敏性能,结果表明这种多孔结构ZnO传感器器件对相同浓度的氧化性气体(NO2)比还原性气体(CO和CH4)具有较高的选择性,并且具有较低的操作温度,有望发展成为新型低温传感器件。(2)采用相同的电化学沉积方法,以FTO导电玻璃作为基底制备ZnO多孔薄膜,进一步化学沉积CdSe量子点。为保证ZnO纳晶多孔薄膜孔道足够大和一定的厚度,在-0.8V先沉积ZnO致密层,再加入50μMEY,在-1.1V下沉积1200s。化学浴沉积CdSe量子点后作为太阳能电池的光阳极。(3)对上述FTO导电玻璃电沉积制备的ZnO纳晶多孔薄膜,在化学沉积CdSe量子点前,表面用CdS进行表面钝化,极大地提高了电池的光电流、光电压,进而提高了电池的光电转换效率。实验表明CdS钝化5次,化学沉积CdSe量子点5h的量子点敏化太阳能电池,以多S电解液为电解质,Pt电极作为对电极,它的光电转换效率可以达到2.36%,比未用CdS钝化前(0.39%)提高了83.46%。通过强度调制光电流谱(IMPS)以及强度调制光电压谱(IMVS)研究了CdS表面钝化机理。电化学沉积法制备的ZnO纳晶多孔薄膜表面存在大量的活性表面态,在组装成量子点敏化太阳能电池中,容易捕获ZnO半导体导带的电子,进而降低了电子寿命以及传输速率。(4)在刮涂法制备的ZnO纳晶多孔薄膜上沉积CdSe量子点,研究界面修饰提高量子点敏化纳晶薄膜太阳能电池光电性能的机理。分别以Na2S、ZnS和CdS对ZnO/CdSe光阳极进行界面修饰,通过强度调制电化学谱和电化学阻抗(EIS)证实硫离子可以有效钝化ZnO纳米颗粒表面的活性表面态。以多S电解液为电解质,PbS电极作为对电极,CdSe量子点敏化ZnO纳晶薄膜太阳能电池的光电转换效率达到3.89%。
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