关键词：
ZnO
CdS
Cu2ZnSnS4
Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O
纳米棒阵列
异质结
pn结
摘要：
ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4异质结构是Cu2ZnSnS4基薄膜太阳能电池的典型结构,该异质结构的改善与创新有助于进一步提高Cu2ZnSnS4基薄膜太阳能电池的光电转换效率。本论文基于溶液法成功地将传统异质结构中的ZnO颗粒薄膜用ZnO纳米棒阵列取代,实现了ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4pn结纳米棒阵列的可控制备,并对相关产物及其特性进行了研究。具体内容如下：
(1)发展水热方法和溶剂热法,以不同比例的乙醇-水为溶剂,Zn(NO3)2·6H2O和六次甲基四胺为前驱物,于低温下成功合成了6种产物,包括1)ZnO纳米棒阵列；2)ZnO纳米柱薄膜；3)ZnO纳米颗粒薄膜4)Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O矩形薄片；5)Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O复合板状分层结构；6) Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O复合板状无分层结构。运用XRD和FE-SEM分别对后5种样品的物相和结构进行表征,发现：ZnO纳米柱薄膜生长方向垂直于衬底,平面尺寸分布范围200～400nm,长度约3.4μm；ZnO纳米颗粒薄膜平面尺寸分布范围100～300nm,厚度约1.1μm；Zn5(OH)8(NO3)2·2H20矩形薄片长度分布范围10～45μm,宽度分布范围5-40μm,厚度约2.21μm,无明显分层现象；Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O复合板状分层结构和Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O复合板状无分层结构生长方向垂直于衬底。研究了乙醇溶剂、锌盐浓度和ZnO种子层对产物的影响并探讨了ZnO和Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O可能的生长机理。
(2)在合成ZnO纳米棒阵列的基础上,采用连续离子层吸附与反应法,分别以溶有Cd(NO3)2·4H2O的乙醇和溶有Na2S的甲醇为前驱物溶液,成功制备了ZnO/CdS芯/鞘纳米棒阵列。将ZnO/CdS芯/鞘纳米棒阵列浸入溶有Cu(CH3COO)2·H2O、ZnCl2、SnCl2·2H2O以及硫脲的无水二甲亚砜,数分钟后取出,于氮气氛围下退火,制得ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4pn结纳米棒阵列。运用XRD、FE-SEM、HRTEM、EDS和SAED分别对ZnO纳米棒阵列、ZnO/CdS芯/鞘纳米棒阵列和ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4pn结纳米棒阵列进行表征,发现：ZnO纳米棒为单晶,生长方向垂直于衬底,直径分布范围40～60nm,长度约1.8μm,长径比达45；ZnO/CdS芯/鞘纳米棒阵列的直径分布范围增加至50～80nm,CdS鞘的厚度约8nm,ZnO芯和CdS鞘均为单晶,二者之间的界面质量良好；在ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4pn结纳米棒阵列中,Cu2ZnSnS4纳米颗粒为多晶,直径约6nm,与CdS鞘外表面的界面质量良好。研究了温度对Cu2ZnSnS4产物的影响并探讨了可能的形成机理。
(3)运用紫外-可见吸收光谱、扫描隧道显微镜-透射电镜支架和室温拉曼谱分别对ZnO纳米棒阵列、ZnO/CdS芯/鞘纳米棒阵列和ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4异质结纳米棒阵列进行分析。与ZnO纳米棒阵列和ZnO/CdS芯/鞘纳米棒阵列相比,ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4异质结纳米棒阵列,从紫外波段到可见光波段再到红外波段均具有吸收增强特性。而且,ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4异质结纳米棒具有很好的整流效应,证实了ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4异质结纳米棒是pn结结构。与相应的块体材料相比,Cu2ZnSnS4纳米颗粒的振动模红移了6cm-1,这可能起源于异质结材料内部的应力或Cu2ZnSnS4纳米颗粒较低的结晶度。
