ZnO/ZnSeⅡ型异质结构量子同轴线制备及其应用

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随着能源危机和环境污染的加剧,清洁绿色、可再生的太阳能电池发电受到广泛的关注。目前,由于太阳能电池成本较高、效率较低等因素的制约,难以进行大规模的应用。纳米材料由于具有比表面积大、晶体质量好等优点,用于太阳能电池,可以增加有效结面积、增加光的吸收和降低非辐射复合,从而提高太阳能电池的光电转换效率。同时,ZnO和Ⅱ-Ⅵ族材料结合可在界面处形成Ⅱ型异质结,调节有效带隙至可见光区域,使其具有在光伏器件应用的潜力。基于此构想,本文制备了ZnO纳米线和ZnO/ZnSe量子同轴线,研究它们的生长条件、晶体结构、光学、电学等特性,并制备了Ⅱ型异质结的ZnO/ZnSe量子同轴线太阳能电池,取得了以下几个方面的成果:   (1)制备出垂直于衬底的ZnO纳米线阵列。采用化学气相沉积(CVD)的方法,通过严格控制衬底材料、生长温度、O2和N2流量、Zn源质量等生长参数,制备出了ZnO纳米线阵列。SEM、TEM和XRD表征结果显示,ZnO纳米线垂直于衬底表面且沿着[0001]方向整齐排列生长。其PL谱中仅出现一个非常强且尖锐的ZnO带边发光峰,半高宽仅为0.10 eV,说明制得的ZnO纳米线具有良好的晶体质量。   (2)制备出纤锌矿结构的ZnO/ZnSeⅡ型异质结构量子同轴线阵列。采用气相沉积和液相烧结的方法,成功制备了不同的ZnO/ZnSe量子同轴线阵列,并对其进行相关表征。从SEM和TEM的表征结果发现,液相烧结的量子同轴线形成核壳结构,外壳层材料的厚度约为15nm。通过EDS、XRD和Raman谱等测试方法,确认了外壳层为纤锌矿ZnSe晶体。量子同轴线的PL谱中,除ZnO和ZnSe的带边发光峰外,在1.89eV处新增了一个显著的发光峰。使用洛伦兹谱形对该PL谱线进行拟合,详细分析发光峰的起源,发现该发光峰来源于Ⅱ型异质结界面的电子-空穴复合发光,从而从实验上证明了ZnO/ZnSe异质结的Ⅱ型能带结构的形成。   (3)初步制作出ZnO/ZnSeⅡ型异质结构量子同轴线太阳能电池。在上述纳米线制备工艺的基础上,我们设计并初步研制了纯无机的ZnO/ZnSeⅡ型异质结构量子同轴线太阳能电池。测试结果显示,太阳能电池在1.6eV的近红外处就开始有光伏响应,由Ⅱ型异质结产生的外量子效率在1.89eV处达4%,而在3.0eV处获得最大的外量子效率达9.5%。这说明我们制备的Ⅱ型异质结构量子同轴线的有效带隙已阵低至红外区域,基本可吸收近全太阳光谱,有望成为新型高效的太阳能电池的功能结构材料。
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