自组装超薄二维ZnO纳米片阵列的制备及光电性能研究

Design and synthesis of ZnO electrode materials are the focus in the field of the photoelectric conversion. On the basis of our previous work, ultrathin two-dimensional ZnO nanosheets with monolayer or a few atomic layers thickness are directly prepared on the transparent conductive glass by chemical bath deposition or solvothermal method. Its physical and chemical properties are obtained by means of SEM、TEM、UPS/XPS、PL and so on. The influence of reaction process parameters on the morphology of the ultrathin ZnO nanosheets array will be studied, and then its growth mechanism can be summarized. The photoinduced charge transfer behaviors of ultrathin 2D ZnO nanosheets array are measured via the surface photovoltage and transient photovoltage technique, exploring the relationship between morphology of nanosheets and photoinduced charge transfer behaviors. In addition, we apply the ultrathin 2D ZnO nanosheets array as photoanode into DSSC. These factors such as array direction, large specific surface area and some novel photoelectric properties influence the photoelectric conversion efficiency. These studies can provide theoretical guidance for the preparation of ZnO electrode materials with higher power conversion efficiency. For developing new kinds of ZnO materials in fields of catalysis, sensing and flexible electronics, these studies also have very important significance.

半导体ZnO电极材料的设计、合成是目前光电转换领域的研究重点。本项目提出通过简单、温和的水浴法或溶剂热法制备具有单层或几个原子层厚度的超薄ZnO纳米片，并将这种纳米片成功自组装到透明导电玻璃上，获得超薄二维ZnO纳米片阵列。利用SEM、TEM、UPS/XPS、PL等测试手段分析其物理化学性质，并结合反应过程参数总结其生长机理。利用稳态表面光电压谱和瞬态表面光伏技术探索超薄ZnO纳米片的形貌、表面性质等因素对其光生载流子传输性质的影响。此外，我们将这种兼具阵列的导向性、大比表面积和可能新颖的光电性质的超薄ZnO纳米片阵列作为光阳极应用于染料敏化太阳电池中，并探索这些因素对太阳电池光电转换效率的影响。这些研究为制备高光电转换效率的ZnO电极材料提供理论指导，对开发新型ZnO材料在催化、传感、柔性电子器件等领域的应用有重要的借鉴意义。

利用太阳能电池将太阳能转换成电能一直是科学家们关注的热点，而太阳能电池技术的核心是半导体材料的制备。ZnO作为经典的半导体之一，对它的设计和制备是提高其光电转换效率的研究重点。增加光吸收范围，提高染料的吸附量，提高光生载流子的传输效率一直是提高ZnO染料敏化太阳电池光电转换效率的手段。基于上述情况，本项目采用水浴法，在透明导电玻璃（FTO）上成功组装超薄二维ZnO纳米片阵列，最佳反应温度为92℃。利用3+3反应方式，可使得阵列的生长高度达到近10微米。超薄ZnO纳米片的厚度约为1.5 nm，由不同尺寸的纳米晶粒组成，为多晶结构，具有类石墨烯的形貌，片状堆叠情况明显。超薄二维ZnO纳米片具有较高的比表面积，约90.67 m²/g。同时稳态/瞬态表面光电压测试表明超薄ZnO纳米片具有更高的光生电荷分离效率。基于超薄二维ZnO纳米片阵列的染料敏化太阳电池的光电转化效率达到了3.46%，这归因于阵列的导向性及纳米片的超薄性质利于光生电荷的分离，较高的比表面积吸附了更多的染料，因此获得了较高的光电转换效率。同时还将超薄二维ZnO纳米片阵列做为电子传输层用于钙钛矿太阳电池，以及光催化降解有机污染物方面的研究。此外本项目成功在柔性基底材料，例如柔性ITO，碳纸，泡沫镍上制备超薄二维ZnO纳米片阵列，增加了超薄二维ZnO纳米片阵列在不同领域的应用。