摘 要

氧化锌（ZnO）为直接带隙半导体，禁带宽度为3.2 eV，纳米棒结构的氧化锌表面面积大可以提高量子点的沉积量，纳米棒为电子的传输减少电荷传输电阻，氧化锌储量丰富，成本低廉，因此ZnO在发光器件、太阳能电池和生物医学等领域具有广阔的应用前景。

量子点敏化太阳能电池（QDSSC）光阳极材料性能的优劣直接影响电池的性能。光电转换效率较低的问题的存在一直阻碍着将纯ZnO纳米棒应用于量子点敏化太阳能电池。人们通过对ZnO纳米棒掺杂改性以提高氧化锌薄膜的电子传输能力，从而达到提高量子点敏化太阳能电池光电转换效率。

本论文采用两步法以FTO导电玻璃基板为衬底，在衬底上制备钇掺杂氧化锌（ZnO：Y）纳米棒薄膜，第一步先利用浸渍-提拉法在FTO导电玻璃基板上制备ZnO晶种层，第二步利用水热法生长不同掺杂浓度的ZnO：Y纳米棒薄膜在ZnO晶种层上，并且将制得的纳米棒在不同温度下退火，以此来探究不同掺杂浓度、不同退火温度对晶相结构、形貌和光电性能的影响。

实验结果表明：所得到的钇掺杂氧化锌（ZnO：Y）纳米棒对比于纯氧化锌纳米棒而言，其生长垂直于衬底，有沿c轴择优取向，且氧化锌结构为六方纤锌矿结构。纳米棒的侧面具有孔结构，孔结构有利于量子点的附着。随着钇浓度的增加，氧化锌纳米棒的直径减小，这就使得纳米棒的密度有所增加，而氧化锌纳米棒的长度增加，因此氧化锌纳米棒的长径比随着增加。当掺杂浓度为15%时，纳米棒的沿c轴择优取向生长最好，孔结构增加最多，最有利于量子点的附着，有助于量子点敏化太阳能电池效率的提高。退火温度会影响钇的偏析，会使得与缺陷相关的发射随退火的温度增加而增加。这个改善了氧化锌纳米棒纳米棒的光致发光性能，从而不仅可以实现紫外发射，还可以实现显著的可见光发射。退火温度的提高，使半高宽的增加，使平均晶粒尺寸减小，而且位错密度也随之增大，因此纳米棒的孔结构增加，有利于量子点的附着。退火温度为800℃的时候，纳米棒的孔结构增加最多，最有利于量子点的附着，最有助于量子点敏化太阳能电池效率的提高。

关键词：ZnO；氧化锌纳米棒；Y掺杂；水热法

Abstract

Zinc oxide (ZnO) is a direct band gap semiconductor with a band gap width of 3.2eV. The large surface area of ZnO with nanorod structure can improve the deposition of quantum dots. The nanorod reduces the charge transfer resistance for the transmission of electrons. Zinc oxide is rich in reserves and low in cost. Therefore, ZnO has a broad application prospect in the fields of light emitting devices, solar cells and biomedicine.

The performance of qdssc photoanode material directly affects the performance of the cell. The low efficiency of photoelectric conversion has always hindered the application of pure ZnO nanorods in quantum dot sensitized solar cells. ZnO nanorods are doped to improve the electronic transmission ability of ZnO thin films, so as to improve the photoelectric conversion efficiency of quantum dot sensitized solar cells.

In this paper, two-step method is used to prepare yttrium doped zinc oxide (ZnO: y) nanorod films on FTO conductive glass substrate. In the first step, ZnO seed layer is prepared on FTO conductive glass substrate by dip pull method. In the second step, ZnO: y nanorod films with different doping concentration are grown on ZnO seed layer by hydrothermal method, and the nanorods are prepared at different temperatures Annealing, in order to explore the different doping concentration, different annealing temperature on the crystal structure, morphology and photoelectric properties.

The experimental results show that compared with pure ZnO nanorods, the yttrium doped ZnO: y nanorods grow perpendicular to the substrate and have a preferred orientation along the c axis, and the ZnO structure is hexagonal wurtzite structure. The side of nanorods has a pore structure, which is conducive to the attachment of quantum dots. With the increase of yttrium concentration, the diameter of ZnO nanorods decreases, which makes the density of ZnO nanorods increase, while the length of ZnO nanorods increases, so the length diameter ratio of ZnO nanorods increases. When the doping concentration is 15%, the preferred orientation of the nanorods along the c axis is the best, and the increase of the pore structure is the most conducive to the attachment of quantum dots and the improvement of the efficiency of quantum dots sensitized solar cells. The annealing temperature will affect the segregation of yttrium, and the emission related to defects will increase with the increase of annealing temperature. This improves the photoluminescence performance of ZnO nanorods, which can not only achieve ultraviolet emission, but also achieve significant visible emission. With the increase of annealing temperature, the half height and width increase, the average grain size decreases, and the dislocation density also increases. When the annealing temperature is 800 ℃, the pore structure of nanorods increases the most, which is most conducive to the adhesion of quantum dots and the efficiency of quantum dots sensitized solar cells.

Key Words： ZnO；ZnO nanorods；Y-doped；Hydrothermal method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2纳米材料的物理效应 1

1.2.1体积效应 1

1.2.2表面效应 1

1.2.3量子尺寸效应 2

1.2.4宏观量子隧道效应 2

1.2.5介电限域效应 2

1.3氧化锌纳米材料的结构与性质 2

1.3.1氧化锌晶体的结构 2

1.3.2氧化锌的基本性质 3

1.3.3不同物质的掺杂对氧化锌纳米棒的影响 3

1.4氧化锌纳米棒的常见制备方法 4

1.4.1物理气相沉积法 4

1.4.2溶胶-凝胶法 4

1.4.3分子束外延法 4

1.4.4 水热法 5

1.4.5水热法的工艺条件对钇掺杂氧化锌纳米棒性能的影响 5

1.5 ZnO纳米材料的表征方法 6

1.6量子点敏化太阳能电池 8

1.7钇掺杂氧化锌纳米棒研究背景 9

1.8本课题研究的内容和思路 10

第2章 实验准备与过程记录 11

2.1实验药品与仪器 11

2.1.1实验仪器 11

2.1.2实验药品 11

2.1.3测试仪器 12

2.2实验过程 12

第3章 实验的结果与讨论 14

3.1 Y掺杂浓度对ZnO纳米棒性能的影响 14

3.1.1 SEM分析 14

3.1.2 XRD分析 16

3.1.3 EIS分析 18

3.1.4光学性能分析 19

3.1.5 XPS分析 21

3.2退火温度对Y掺杂氧化锌纳米棒性能的影响 22

3.2.1 SEM分析 22

3.2.2 XRD分析 23

3.2.4光学性能分析 25

第4章 结论 26

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1引言

纳米材料自从被人们发现以来，因为其相比于宏观材料具有特殊的性能，所以广泛受到各国研究人员的研究讨论。纳米材料的结构单元处于1纳米-100纳米之间。因为其极其小的尺寸使其可以突破宏观材料的局限性，在很多方面，纳米材料都有着宏观材料无法比拟的超高性能。究其原因是，纳米材料具有宏观材料所不具有的四大效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应^[1]，所以使得材料具有独特的物理化学性能和光电性能，故而纳米材料被广泛的应用于宇航、电子、化工、冶金、生物、医药等方面。

近些年来，氧化锌纳米棒材料因为其优越的性能受到人们的广泛关注。从能量的角度来看，氧化锌为直接带隙半导体，禁带宽度为3.2 eV，具有优异的物理性能和较高的电子迁移率^[2，3，4]，所以在太阳能方面的应用方面氧化锌被集中研究；从结构的角度来看，氧化锌纳米棒结构可以提供更大的表面以提高量子点的沉积和促进电子迁移的直接途径，所以具有制备量子点敏化太阳能电池的潜能^[5,6]；从成本的角度来看，氧化锌的储量较为丰富，而且容易获得，所以成本比较低廉^[7]。

1.2纳米材料的物理效应

1.2.1体积效应

纳米材料的尺寸基本上与传导电子的德布罗意波相当或更小，周期性的边界条件将被破坏，这就是纳米粒子的体积效应。

1.2.2表面效应

表面效应是指：对于球形颗粒来说，其直径与比表面积（表面积/体积）成反比，因为其直径的平方与表面积成正比，直径的立方与其体积成正比。所以当球形颗粒的直径减小，球形颗粒比表面积反而会增加，当材料的直径减小到纳米尺度时，材料的比表面积将十分大，此时表面会附着的相对原子数将会大大增加，因此表面原子会具有很高的活性且变得极不稳定，这会导致颗粒表现出不一样的特性。

1.2.3量子尺寸效应

量子尺寸效应是指如下现象：费米附近电子的能级从准连续能级变为单独的能级，或者当粒径降至特定值时能隙扩大。此时光电和超导性能与传统材料完全不同。

1.2.4宏观量子隧道效应

宏观量子隧道效应是指即使微粒的总能量小于阻挡层的高度，粒子也可以通过阻挡层。

1.2.5介电限域效应

光照射时，由于折射率不同产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了。这种局部的场强效应，对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。

1.3氧化锌纳米材料的结构与性质

1.3.1氧化锌晶体的结构

ZnO晶体在自然界中通常有六方纤锌矿和立方闪锌矿两种结构，如图1-1所示。ZnO的六方纤锌矿结构不是轴对称结构，而是中心对称结构，。一般来说，a=3.25埃，c=5.2埃；c/a比率约为1.60，接近1.633的理想六边形比例。氧化锌的压电性较高，其原因之一是在半导体材料中，锌、氧多以离子键结合。ZnO的闪锌矿结构和金刚石结构相似，原子位置相同，只是将基元换成了氧化锌分子。可以看为两个面心立方套构而成。两类原子沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构。