[發明專利]氧化鋅納米柱陣列材料及操控氧化鋅納米柱陣列密度與光學帶隙的電化學沉積方法

在審

• 申請號: 201410815010.0
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN105780118A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 湯洋;郭邐達;張增光;張德忠;陳頡
• 申請（專利權）人: 神華集團有限責任公司;北京低碳清潔能源研究所
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B30/02;C25D9/08;B82Y30/00
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 李婉婉;金迪

技術領域

本發明屬于納米結構材料領域，具體地，涉及一種氧化鋅納米柱陣列材 料及操控氧化鋅納米柱陣列密度與光學帶隙的電化學沉積方法。

背景技術

氧化鋅(ZnO)是一種具有壓電和光電特性的半導體材料，作為一種寬 禁帶半導體具有Eg～3.3eV(在300K)的直接帶寬和60meV的激子束縛能， 是一種價格低廉、原料來源豐富、性能穩定、無毒且對環境友好的材料。

對于新一代薄膜太陽能電池的研發，目標為既要進一步提升其轉換效 率，又要同時降低其生產成本，從而提高其性價比。提升太陽能電池的轉換 效率可以通過增加其入射光通量、提高其光吸收率和增強電池的光生載流子 的收集來實現。在傳統的薄膜結構太陽電池中植入ZnO納米柱陣列，將能 夠從光學與電學兩個途徑提升太陽能電池的性能。作為收集與輸運光生載流 子的ZnO納米柱，要求其帶隙寬度與功函數等半導體材料參數可調控，從 而可以控制ZnO納米柱與吸收層材料之間的能帶結構圖像，保證光生載流 子的有效收集與輸運。因此亟需發展新方法制備半導體性能參數可控的高質 量ZnO納米柱陣列。另一方面，若要實現吸收層材料在納米柱陣列之間的 有效填充，則需增大納米柱的間距。因此亟需發展新方法制備半導體性能參 數及陣列密度與間距可控的ZnO納米柱陣列。

現有技術中，采用電化學法制備的氧化鋅(ZnO)納米結構陣列(例如： TheJournalofPhysicalChemistryC,2011,115,5239-5243)，通過控制生長條 件，操控納米柱的生長速率、功函數與電學性質，但無法操控所生長的納米 結構陣列密度與光學帶隙。

發明內容

本發明的目的是克服現有的氧化鋅納米柱陣列材料的制備方法所制備 的氧化鋅納米柱陣列的納米結構陣列的密度與光學帶隙無法操控的缺陷，提 供一種新的氧化鋅納米柱陣列材料以及操控氧化鋅納米柱陣列密度與光學 帶隙的電化學沉積方法。

本發明提供了一種氧化鋅納米柱陣列材料，其中，該氧化鋅納米柱陣列 材料摻雜有鎵組分，納米柱陣列的密度為3×10⁹cm^-2至9×10⁹cm^-2，光學帶隙 為3.2-3.8eV。

本發明還提供了一種操控氧化鋅納米柱陣列密度與光學帶隙的電化學 沉積方法，該方法包括：使生長基底在含有鋅源前驅體、銨鹽和鎵鹽的溶液 中進行電化學沉積。

本發明還提供了由上述方法制備的氧化鋅納米柱陣列材料。

在本發明中，通過在電化學沉積的反應溶液中同時引入銨鹽和鎵鹽，以 促進鎵摻雜進入氧化鋅納米柱陣列中，使得氧化鋅納米柱陣列的密度和光學 帶隙可以在特定的范圍內進行操控，進而使得該氧化鋅納米柱陣列材料在太 陽能電池、發光二極管、紫外激光器、紫外光電探測器、氣體傳感器等領域 中展現出廣泛的應用前景。

本發明的其它特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

圖1(a)是對比例1中未加鎵鹽和銨鹽的配方制備的ZnO納米柱陣列的 掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖1(b)是實施例6中加入鎵鹽和銨鹽的配 方制備的ZnO納米柱陣列的SEM照片。

圖2(a)和2(b)是分別是對比例1中未加入鎵鹽和銨鹽的配方制備的 ZnO納米柱陣列的光學帶隙譜圖和對比例2中加入鎵鹽，未加入銨鹽配方制 備的ZnO納米柱陣列的光學帶隙譜圖。圖2(c)-2(f)分別是實施例1、4、5 和6中加入不同濃度的鎵鹽和銨鹽的配方制備的ZnO納米柱陣列的光學帶 隙譜圖。

具體實施方式

以下對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描 述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。

本文中披露的所有范圍都包含端點并且是可獨立結合的。本文中所披露 的范圍的端點和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應當理解 為包含接近這些范圍或值的值。

本發明提供了一種氧化鋅納米柱陣列材料，其中，該氧化鋅納米柱陣列 材料摻雜有鎵組分，納米柱陣列的密度為3×10⁹cm^-2至9×10⁹cm^-2，光學帶隙 為3.2-3.8eV。