电沉积氧化石墨烯/ZnO-SnO2纳米复合膜的光电转换性能

光电池是太阳能利用的关键技术，尽管在太阳电池中对Si电池研究最深入，应用最广泛，但因价格昂贵和稳定性引起的寿命问题，其更大范围的推广应用受到限制。研究开发新型太阳电池成为当前发展太阳能利用的重点。鉴于近年来各种碳纳米结构的发现，以碳取代硅的太阳电池研究广受关注。根据太阳电池中各组成部分的能级关系，本项目设计以部分还原的氧化石墨烯（RGO）和锡酸锌纳米晶异质结构成的纳米复合膜光电极，组成太阳电池。研究将以电化学沉积制备不同纳米复合结构RGO/ZnO-SnO2膜，用氧化石墨胶体和电解质溶液的混合液为电沉积液，利用沉积过程中的电化学反应形成复合结构。通过制备不同结构复合纳米膜，研究不同结构RGO的能带结构和光吸收性、导电性、光电性能之间的关系。研究将涉及复合膜中不同相的界面结构特征及界面的电子-空穴分离性能及其对光电转换性能的影响，以此探索氧化石墨烯的光响应性在太阳电池领域的应用。

本项目研究制备部分还原氧化石墨烯(rGO)与ZnO和ZnSnO3主宽能隙透明导电体形成的复合系统薄膜，探讨不同结构复合系统的光电性能及其作为太阳电池的可行性。.研究制备的电化学沉积过程制备的rGO/ZnO复合薄膜中，片状氧化石墨烯GO在阴极发生部分还原，片状rGO可因不同的电解液而平行或垂直生长于衬底之上；rGO表面则可因沉积条件的差异形成纳米颗粒状纤锌矿相ZnO或柱状纤锌矿相ZnO。.rGO随还原程度不同具有可见光吸收性和p型半导体的特性，而带结构缺陷的宽禁带ZnO则具有n型半导体的特性。当部分还原rGO以一定的能带结构与ZnO的能级相匹配时，可见光激发rGO形成的电子空穴对可在rGO/ZnO界面发生分离，电子从rGO导带向ZnO转移，并形成光电流。当rGO中C=C键的含量达到近60%，其能隙宽度约为2.0eV时，rGO/ZnO有较好的能级匹配。对于水平生长的rGO和颗粒直径约为25nmZnO的复合薄膜，光电流为1.5×10-7A·cm-2；而当rGO垂直衬底生长时，复合薄膜的光电流提高至5.0×10-7A·cm-2。.由于电化学沉积难以获得ZnO-SnO2二元系统中钙钛矿和尖晶石两个晶相中的任何一种，项目采用溶胶凝胶过程制备和比较钙钛矿和尖晶石两种晶体的性能，其中钙钛矿结构ZnSnO3的功函数等性能均优于尖晶石结构ZnSn2O4。虽然掺Sb或掺Ta的钙钛矿结构ZnSnO3固溶体功函数（5.06eV）较纯钙钛矿结构ZnSnO3（5.16eV）有所下降，但这一功函数值仍高于ZnO（4.5eV）。掺Sb或掺Ta的钙钛矿结构ZnSnO3的电阻率可较ZnSnO3的电阻率下降了约两个数量级，达到略小于1Ω﹒cm，但这一电阻率在实际应用中仍然偏高，由此导致以掺杂钙钛矿结构ZnSnO3/rGO界面获得的光电流很低。.此项目研究通过实验获得了rGO化学结构和能带结构的关系，以及其对应的可见光吸收性能和p型半导体性能；研究得到的rGO不同还原态结构及其能带结构的可调性，肯定了其作为光电极材料的可行性；通过rGO/ZnO系统的研究结果对认识rGO/MOx复合体系中光电流形成的微观过程及关键因素成具有重要价值。相关研究结论将有助于进一步深入认识和研究不同化学改性结构rGO及纳米结构碳参与的光电转换效应，并推动氧化石墨烯太阳电池的开发。