ZnO/CdS納米異質節的特性及有機太陽能的應用展望

王楠+孫超+劉玉鵬+孫瑜+周麗+宋連鵬+艾娉婷

（1.海軍大連艦艇學院基礎部 大連 116018； 2.海軍大連艦艇學院海洋測繪系 大連 116018）

摘要：由于能源緊缺，開發利用新能源成為全球聚焦點。一直以來單晶Si電池一直占太陽能電池主導地位，為使太陽能電池的轉換率提高，節約制作成本，我們在不斷研究新型材料。因此ZnO和CdS兩種材料研究熱點。本論文主要研究納米微觀下的ZnO，CdS材料，介紹ZnO/CdS納米異質結的特性。對其針對太陽能的應用進行展望。

1. 引言

ZnO作為一種II-VI族半導體材料，無毒無害，易于制備，在太陽能電池及其它光電器件領域是一種很好的半導體材料。CdS是一種Ⅱ-Ⅵ族半導體由ⅡB族元素Cd和ⅥA族元素S組成。自然存在的CdS晶體有纖鋅礦和閃鋅礦兩種結構，一種極性半導體。CdS作為最早被人們認知的半導體材料之一，太陽能器件的研究制造中得到了廣泛的應用。本論文將ZnO、CdS兩種納米材料作為研究對象。

2.太陽能電池及其應用展望

太陽能發電是一種可再生的環保發電方式，被廣泛推廣。太陽能電池一般由硅制成，但其成本高，轉換效率低，材料緊缺且含有有毒物質。如何提高太陽光線利用率，采用成本低廉無污染材料，成為主要研究課題。當前的太陽能電池，包括了晶體硅電池、薄膜電池以及其他材料電池。其中硅電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形硅薄膜電池等。薄膜電池又分薄膜太陽能電池和柔性沉底薄膜太陽能電池。其中硅基太陽能電池應用較為廣泛，但薄膜太陽能電池具有質量輕、價格低廉、性能良好、工藝制作簡單易于大規模生產等特點。因此現如今越來越多的科學家開始研究柔性襯底薄膜太陽能電池。

對于太陽能電池，由于光生載流子將在整個器件內產生，因此要盡量增加太陽光的接觸面積，使電子空穴對的分離和收集更有效，從而增加材料的光吸收效率。因此設計了納米線陣列結構，通過包覆不同的納米材料。這樣使單位面積上的接觸面積增大，可以把每一根納米棒都想象成一個獨立的器件，在原基片上直接制成太陽電池，保留電池優秀的光伏效率，提高光電轉換效率。如果器件厚度與入射光透射深度相當，并且體相少數載流子壽命足夠短的情況下，納米線結構的太陽能電池的優勢就更加的明顯。

3.ZnO/CdS納米異質節的特性

ZnO是II-VI族的一種寬帶隙半導體材料，室溫下其禁帶寬度為3.37eV。對紫外光具有強烈的吸收特性，并兼有壓電特性和熱電特性。ZnO納米材料在光電轉換、傳感器、納米機電系統、場發射器件、納米激光器等領域均有廣闊的應用前景?？衫糜谧贤夤馓綔y器、發光二極管和激光二極管、氣敏傳感器、制作太陽能電池。

CdS是一種Ⅱ-Ⅵ族半導體，早在1925年，Huggins就對其價電子分布做了系統的研究。

其制備較為成熟，應用廣泛，具有良好的可見光吸收，因此本文選用ZnO和CdS制備納米異質結。

首先，以FTO薄膜作為襯底，通過磁控濺射濺射一層種晶層，利用水熱合成法生長出ZnO均勻分布的納米線陣列。接著利用三電極沉積法在ZnO納米線陣列上均勻包覆了一層CdS薄膜，構筑了ZnO/CdS異質結構薄膜材料，如圖2可見，CdS分布較為均勻?？梢赃M行異質結陣列的研究。

在研究的過程當中，一般評定光電能量轉換效率有三條標準：①高的光吸收性②有效的電荷分離③充分的電荷遷移。

本實驗設計了ZnO/CdS納米核鞘異質結陣列光電器件的實驗裝置，如圖3。分別在FTO和ZnO/CdS納米異質結表面上引出兩個電極，制備原器件。為下一步柔性襯底太陽能電池的實驗研究，奠定了基礎。

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