Cu2O纳米棒的工业制备方法与光伏应用研究

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1、密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文指导教师：2013年4月By—HongyuYuanADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofEngineeringInstituteofHighEnergyPhysicsApril，2013研究生学位论文声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独

2、立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院高能物理研究所“关于中国科学院高能物理所研究生论文及研究成果使用权的规定”(2001)高发研生字第315号文件，即：高能物理研究所拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包括：(1)已获学位的研究生必须按规定提交学位论文，高能物理研究所可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；(2)为教学和科研目的，高

3、能物理研究所可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所供科研人员阅读，或在所内网站供科研人员浏览部分内容；(3)根据《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》，向国家图书馆等相关部门报送可以公开的学位论文。摘要近些年来，随着能源消耗的增长，空气污染和温室效应日益严重，人们越来越认识到使用清洁的可再生能源取代传统化石能源的重要性。而在各类新能源中，太阳能以其无穷无尽的来源和清洁无污染的性质而备受关注。然而，目前Si基太阳电池制备过程的高能耗和CIGS、GaAs电池等的昂贵造价，以及其它种类太阳电池中如Cd、S等有毒元素的使用，都使太阳电池陷入争议之中

4、，缺乏进一步发展的动力。因而，尽管理论效率只有20％，不及单晶硅和GaAs等材料，Cu20作为最早应用于太阳电池中的材料之一，因其原料丰富、制各简单、无毒性和自生P型半导体等优势，重新获得了人们的关注。当前太阳电池技术的一个发展方向是利用纳米技术制作一维纳米结构PN结太阳电池。一维纳米材料因其大的比表面积、量子尺寸效应等而在电学、光学、化学、磁学等方面呈现出独特的性能。尺寸、成分、分布和形貌可控的一维纳米材料不仅在太阳电池上有广阔的应用前景。而且在光催化、光电子器件、传感器等领域也有重要的应用前景。但要实现其在光伏电池等领域的工业应用，目前还存在很多问

5、题，其中关键问题之一是降低成本，实现大规模生产。为了找到适合工业化生产的Cu20纳米棒制备技术，本论文工作设计并研究了热蒸发掠射角沉积(TEGLAD)加后退火氧化处理的技术路线。掠射角沉积(GLAD)是一种利用阴影效应生长分离的一维纳米结构的物理气相沉积方法，它的工艺简单，成本低廉，真空度要求低，可以通过参数调整生长出各种形状的纳米结构，并适用于几乎所有的固体材料，且其生长的纳米棒取向一致从而能够解决化学方法制各的纳米棒(线)的取向混乱的问题，十分适合于大规模的工业化生产。本文工作首先利用GLAD方法生长铜纳米棒，随后在管式炉中对铜纳米棒进行后退火处理

6、，通过在不同条件下Cu纳米棒的生长和氧化实验，成功获得了Cu20纳米棒薄膜，并对样品的形貌、晶体结构、电学性能等分别采用x射线衍射、扫描电子显微镜和霍尔效应测试等作了表征。研究发现铜纳米棒薄膜不仅氧垒!竺垫鲞堡堕三些些型鱼查鎏量鲞堡壁旦塑墅化速率比普通铜薄膜快很多，而且可以在各温度点保持单一的晶相组成，而传统的Cu薄膜在氧化中通常两个或多个晶相并存；要想保持纳米棒结构，退火时间就不能太长。为了检测其光伏应用，我们使用热蒸发加管式炉退火的方法，成功制备了n型Sn02薄膜。随后，基于P型Cu20纳米棒、n型Sn02薄膜和FrO玻璃，我们利用GLAD、和管式

7、炉退火，通过不同的沉积顺序和退火顺序，分别构造了Cu20／FTO，Cu20／Sn02／FTO，Sn02／CuO／FTO三种异质结结构。对这三种结构做形貌、成分、晶相的表征。随后蒸镀Al电极，获得了基本的太阳电池结构；使用AMl．5标准太阳光谱模拟器，测试了三种异质结的I．V特性曲线。总之，本文研究了热蒸发掠射角沉积加后退火氧化处理的技术，成功制备了Cu20纳米棒，对其性能做了表征和优化，展示了该制备技术应用于Cu20纳米棒工业生产的可行性；并使用所制备的Cu20纳米棒阵列薄膜与Sn02薄膜组成异质结结构，对其在太阳电池中的应用做了初步尝试，为将来构建C

8、u20径向结太阳电池、纳米结构的有机无机复合太阳电池和染料敏化电池提供了一种新的思路。关键词：