ZnO在碳纳米纤维纸上的电化学沉积

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最近几年,将导电、质轻、柔韧、热和化学性质稳定的碳基材料用于染料敏化太阳能电池的光阳极已经成为一个热点。其中碳纤维和用碳纳米管做成的纤维具有柔性,质量轻的优点,已被用于替代传统的ITO电极,受到了关注。然而,现在所用尺寸的碳纤维比表面积较小、导电率较低;而碳纳米管做成的纤维价格又比较昂贵。用碳纳米纤维做成的纸张具有好的导电性同时比表面积比碳纤维大、价格仅为单壁碳纳米管材料的0.1%,并且宏观可操控。目前碳纳米纤维纸已被研究用于屏蔽电磁干扰、锂离子电池电极、燃料电池以及超级电容器上。这里,我在三维的碳纳米纤维纸上沉积ZnO,并研究用于柔性染料敏化太阳能电池的电极。  ZnO是一种宽禁带的半导体,由于它具有高的电子迁移率,已被广泛用于制作染料敏化太阳能电池的光阳极。ZnO可以用不同的物理和化学方法来制备,其中用电化学方法生长ZnO可以通过控制沉积条件来制备纳米线、纳米棒、纳米管以及薄膜结构的ZnO,并且电化学生长具有低温操作,低能耗,高产量等优势。本论文主要研究ZnO在碳纳米纤维纸上的电化学生长,通过控制电化学生长条件来控制ZnO的表面形貌、微观结构以及缺陷态,以用于染料敏化太阳能电池的光阳极。  本文采用电化学沉积的方法,以碳纳米纤维纸为基底、70℃的0.05M硝酸锌溶液为电解液(pH=5.26),用三电极模式实现了ZnO在碳纳米纤维纸上的电化学生长,并通过XRD、SEM、PL光谱等方法对所制各样品进行测试和表征。重点研究了不同电化学沉积条件(恒电压生长和脉冲电压生长)对所制备的ZnO纳米材料的微观结构、表面形貌及光学性质的影响。本论文中碳纳米纤维纸上沉积的ZnO全部为六角纤锌矿结构,其禁带宽度约为3.26eV。ZnO中的杂质数量随着沉积电压的升高而变化,PL谱表明ZnO沉积电势越负其内部的氧缺陷越多。ZnO在可见光范围内的黄光波段和红光波段的PL峰分别是由氧缺陷(缺氧)和氧杂质离子(富氧)引起的。通过脉冲电压沉积的方法,可以制备氧缺陷少并且能够在碳纳米纤维纸表面均匀覆盖的ZnO颗粒。另外利用脉冲电压沉积方法也可以在碳纳米纤维纸上生长尺寸较大、类似单晶的ZnO颗粒。  本方案提出了一种低成本、高生产率的制备纳米结构ZnO的方法,所制备的ZnO适合光伏器件应用。
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