電沉積氧化石墨烯/ZnO-SnO2納米複合膜的光電轉換性能

《電沉積氧化石墨烯/ZnO-SnO2納米複合膜的光電轉換性能》是依託同濟大學，由賀蘊秋擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電沉積氧化石墨烯/ZnO-SnO2納米複合膜的光電轉換性能
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：賀蘊秋
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

光電池是太陽能利用的關鍵技術，儘管在太陽電池中對Si電池研究最深入，套用最廣泛，但因價格昂貴和穩定性引起的壽命問題，其更大範圍的推廣套用受到限制。研究開發新型太陽電池成為當前發展太陽能利用的重點。鑒於近年來各種碳納米結構的發現，以碳取代矽的太陽電池研究廣受關注。根據太陽電池中各組成部分的能級關係，本項目設計以部分還原的氧化石墨烯（RGO）和錫酸鋅納米晶異質結構成的納米複合膜光電極，組成太陽電池。研究將以電化學沉積製備不同納米複合結構RGO/ZnO-SnO2膜，用氧化石墨膠體和電解質溶液的混合液為電沉積液，利用沉積過程中的電化學反應形成複合結構。通過製備不同結構複合納米膜，研究不同結構RGO的能帶結構和光吸收性、導電性、光電性能之間的關係。研究將涉及複合膜中不同相的界面結構特徵及界面的電子-空穴分離性能及其對光電轉換性能的影響，以此探索氧化石墨烯的光回響性在太陽電池領域的套用。

結題摘要

本項目研究製備部分還原氧化石墨烯(rGO)與ZnO和ZnSnO3主寬能隙透明導電體形成的複合系統薄膜，探討不同結構複合系統的光電性能及其作為太陽電池的可行性。 研究製備的電化學沉積過程製備的rGO/ZnO複合薄膜中，片狀氧化石墨烯GO在陰極發生部分還原，片狀rGO可因不同的電解液而平行或垂直生長於襯底之上；rGO表面則可因沉積條件的差異形成納米顆粒狀纖鋅礦相ZnO或柱狀纖鋅礦相ZnO。 rGO隨還原程度不同具有可見光吸收性和p型半導體的特性，而帶結構缺陷的寬禁帶ZnO則具有n型半導體的特性。當部分還原rGO以一定的能帶結構與ZnO的能級相匹配時，可見光激發rGO形成的電子空穴對可在rGO/ZnO界面發生分離，電子從rGO導帶向ZnO轉移，並形成光電流。當rGO中C=C鍵的含量達到近60%，其能隙寬度約為2.0eV時，rGO/ZnO有較好的能級匹配。對於水平生長的rGO和顆粒直徑約為25nmZnO的複合薄膜，光電流為1.5×10-7A·cm-2；而當rGO垂直襯底生長時，複合薄膜的光電流提高至5.0×10-7A·cm-2。 由於電化學沉積難以獲得ZnO-SnO2二元系統中鈣鈦礦和尖晶石兩個晶相中的任何一種，項目採用溶膠凝膠過程製備和比較鈣鈦礦和尖晶石兩種晶體的性能，其中鈣鈦礦結構ZnSnO3的功函式等性能均優於尖晶石結構ZnSn2O4。雖然摻Sb或摻Ta的鈣鈦礦結構ZnSnO3固溶體功函式（5.06eV）較純鈣鈦礦結構ZnSnO3（5.16eV）有所下降，但這一功函式值仍高於ZnO（4.5eV）。摻Sb或摻Ta的鈣鈦礦結構ZnSnO3的電阻率可較ZnSnO3的電阻率下降了約兩個數量級，達到略小於1Ω﹒cm，但這一電阻率在實際套用中仍然偏高，由此導致以摻雜鈣鈦礦結構ZnSnO3/rGO界面獲得的光電流很低。 此項目研究通過實驗獲得了rGO化學結構和能帶結構的關係，以及其對應的可見光吸收性能和p型半導體性能；研究得到的rGO不同還原態結構及其能帶結構的可調性，肯定了其作為光電極材料的可行性；通過rGO/ZnO系統的研究結果對認識rGO/MOx複合體系中光電流形成的微觀過程及關鍵因素成具有重要價值。相關研究結論將有助於進一步深入認識和研究不同化學改性結構rGO及納米結構碳參與的光電轉換效應，並推動氧化石墨烯太陽電池的開發。