ZnO微納結(jié)構(gòu)制備及光學(xué)性能研究.pdf

1、ZnO的優(yōu)良光電性能以及可采用多種方法制備多種微納結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),使其在涂層顏料、太陽(yáng)能電池、壓敏和氣敏原件、發(fā)光二極管和激光器、壓電器件、紫外探測(cè)器和傳感器等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,具有廣闊前景。此外,ZnO還具有優(yōu)良的抗輻射能力,使其光電特性在空間輻射環(huán)境中具有良好穩(wěn)定性,適合空間應(yīng)用。
　　近年來(lái),ZnO的制備和應(yīng)用研究取得不斷進(jìn)展,但為實(shí)現(xiàn)ZnO基光電器件的進(jìn)一步發(fā)展和在實(shí)際上的廣泛應(yīng)用,仍需對(duì)ZnO微納結(jié)構(gòu)的可控合成、設(shè)計(jì)并制

2、備性能優(yōu)異且穩(wěn)定可靠的光電器件等方面進(jìn)行深入研究。本文致力于ZnO基微納核殼結(jié)構(gòu)顆粒和ZnO納米薄膜的可控合成和性能研究,并基于不同微納結(jié)構(gòu)ZnO材料的性能特點(diǎn),分別研究了ZnO基微納核殼結(jié)構(gòu)顆粒作為熱控涂層顏料以及ZnO納米薄膜作為倒置型聚合物太陽(yáng)能電池(PSCs)陰極緩沖層和電子收集層的應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　設(shè)計(jì)并采用固相反應(yīng)法制備了具有微納核殼結(jié)構(gòu)的新型ZnO基復(fù)合顏料,研究了制備工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合顏料結(jié)構(gòu)和成分

3、的影響,探討了復(fù)合顏料的結(jié)構(gòu)和成分與其光學(xué)性能和輻照光學(xué)穩(wěn)定性之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)ZnO基微納核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合顏料不但具有優(yōu)良的初始光學(xué)性能,并在模擬空間質(zhì)子、電子單獨(dú)及綜合輻照作用下具有優(yōu)于ZnO原料的輻照光學(xué)穩(wěn)定性。X射線衍射譜、光譜反射率和太陽(yáng)吸收比的測(cè)試和計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)ZnO基微納核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合顏料中Zn2SiO4殼層的相對(duì)含量約為67％時(shí),復(fù)合顏料在質(zhì)子輻照下太陽(yáng)吸收比的變化(s)相比于ZnO原料降低了約36%,具有最佳的輻照光學(xué)

4、穩(wěn)定性。
　　研究了ZnO基微納核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合顆粒的表面Zn2SiO4殼層對(duì)復(fù)合顏料在模擬空間帶電粒子輻照下光學(xué)穩(wěn)定性的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)Zn2SiO4殼層可有效吸收入射粒子的能量,降低帶電粒子輻照對(duì)ZnO基體的輻照損傷,提高復(fù)合顏料的輻照光學(xué)穩(wěn)定性。此外,Zn2SiO4殼層自身優(yōu)良的輻照光學(xué)穩(wěn)定性也在一定程度上有利于復(fù)合顏料輻照光學(xué)穩(wěn)定性的提高。
　　采用溶膠-凝膠法,通過(guò)調(diào)節(jié)溶膠濃度和熱處理工藝制備了具有可控微觀表面形貌、

5、厚度和透光率的ZnO納米薄膜。研究了以ZnO納米薄膜作為陰極緩沖層的倒置型PSCs的制備和性能,系統(tǒng)研究了ZnO納米薄膜的表面微觀形貌、厚度和透光率對(duì)倒置型PSCs性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),在一定厚度范圍內(nèi),ZnO納米薄膜的表面微觀形貌可直接影響ZnO與P3HT:PCBM活性層的接觸質(zhì)量,是影響電池性能的關(guān)鍵因素,而ZnO納米薄膜的厚度和透光率對(duì)電池性能影響較小。基于表面致密、光滑且無(wú)孔洞的ZnO納米薄膜的倒置型PSCs的能量

6、轉(zhuǎn)換效率為~3.3%,相比于以表面粗糙且有孔洞的ZnO納米薄膜的倒置型PSCs的能量轉(zhuǎn)換效率(2.5%)提高了約32%。
　　基于化學(xué)溶液法設(shè)計(jì)了一種新的ZnO納米墻薄膜制備工藝,在低溫下制備了垂直于ITO基底的ZnO納米墻薄膜。研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)適當(dāng)提高反應(yīng)溶液濃度、降低反應(yīng)溫度和溶液初始pH值可制備致密的ZnO棒薄膜。該致密ZnO棒薄膜可在KOH水溶液中發(fā)生沿ZnO棒c軸的選擇性刻蝕,形成納米墻結(jié)構(gòu)。初步研究了基于ZnO納米墻薄膜