锂掺杂氧化锌铁电纳米材料的制备及其在光伏领域的应用

This application focuses on the ferroelectricity of zinc oxide (ZnO) caused by Li-doping. So far, this property has not drawn very intense attention from researchers worldwide. ZnO nanostructures will be fabricated using either the solution method or the anodic oxidation method. The Li-doping will be realized by using reactants that contain elemental lithium. It has to be stressed that the purpose of the Li-doping in this project is obtaining ferroelectricity instead of obtaining p-type ZnO semiconductor. Therefore the energy levels of the Li impurities are not required to be at the vicinity of the valence band edge. The crystal structure, components and the form of the Li impurities in the samples will be analyzed comprehensively, so that a pertinent understanding of the mechanism of the Li-ZnO ferroelectricity will be attained. Then the ferroelectric Li-ZnO nanostructures will be polarized and used as the materials for the working electrodes of quantum dot sensitized solar cells (QDSSCs). The performances of the QDSSCs with such working electrodes are expected to improve due to the ferroelectric-semiconductor coupled photovoltaic effect in two aspects. First, more cadmium sulfide (CdS) quantum dots will be adsorbed to the working electrodes because of the electrostatic attraction between the electric dipoles in Li-ZnO and CdS. Second, the internal electric field caused by the alignment of the dipole domains inside the Li-ZnO will strengthen the drift of the photogenerated electrons to the outside circuit.

本申请拟研究氧化锌纳米材料一个尚未引起广泛关注的特性——锂掺杂后的铁电特性。计划使用溶液法和阳极氧化法制备氧化锌纳米结构，在制备过程中使用含有锂元素的反应物实现锂掺杂。此种锂掺杂的目的并非获得p型氧化锌半导体，而是使氧化锌获得铁电特性，所以不要求锂杂质能级靠近价带顶。利用各种手段全面分析样品的成分、晶体结构和锂元素的存在形式，以期对锂掺杂氧化锌的铁电特性机理有较为确切的认识。进而将此种锂掺杂氧化锌纳米结构极化之后用作量子点敏化太阳电池的工作电极，从两方面利用铁电半导体光伏效应改善电池特性。其一，锂掺杂氧化锌中的电偶极子与硫化镉量子点中的电偶极子之间会产生静电引力，促进工作电极对量子点的吸附；其二，锂掺杂氧化锌内部定向排列电畴产生的内建电场可能增强光生电子向外电路的漂移。

在本项目的支持下主要研究了ZnO纳米材料的Li掺杂及其在太阳电池中的应用。同时研究了太阳电池以及一些新型二维光电材料中的其他问题。所取得的主要成果包括以下几点。. 一、实现了Li掺杂ZnO的制备并研究了它们的光伏特性. 以C6H12N4和Zn(NO3)2为原料，使用水热法制备了ZnO纳米结构薄膜，并通过在反应物中加入LiCl，在制备的同时实现了ZnO的Li掺杂。鉴于逸出功在光伏过程中的重要作用，使用热发射法和光电发射谱法系统地测量了Li-ZnO的逸出功，发现Li-ZnO的逸出功随着Li掺杂浓度的增加而先降后升。这个结果印证了ZnO中的Li掺杂存在替代式和填隙式两种形式。调节C6H12N4、Zn(NO3)2和LiCl之间的浓度比，制得了五种Li掺杂的ZnO纳米棒阵列和一种不掺杂的ZnO纳米棒阵列，进而将其用作光阳极制备了染料敏化太阳电池。发现适当浓度的Li掺杂会提高电池的光电转换效率。.. 二、研究了其他太阳电池中的若干问题. 为了开发出可以替代Pt的对电极材料，制成了Ni-Mo-S纳米片对电极并应用于柔性染料敏化太阳电池。这种Ni-Mo-S纳米片对电极比MoS2对电极具有更高的电催化活性，性能已接近Pt丝对电极。通过使用倾斜沉积的方法和引入ZnPc缓冲层，同时明显提高了小分子太阳电池的短路电流和开路电压。.. 三、研究了GeSe2等新型二维光电材料. 从理论和实验上系统地研究了GeS2在结构、振动特性和光学特性上的各向异性，发现基于GeS2的光探测器在紫外领域有很强的极化敏感光响应。通过厚度依赖和变温Raman谱测试，发现GeSe2层与层之间的耦合作用较弱。通过对裂解能等物理量的理论计算阐述了GeSe2弱层间耦合作用力的机理。