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(xué)院基礎(chǔ)部 大連 116018； 2.海軍大連艦艇學(xué)院海洋測(cè)繪系 大連 116018）

摘要：由于能源緊缺，開發(fā)利用新能源成為全球聚焦點(diǎn)。一直以來(lái)單晶Si電池一直占太陽(yáng)能電池主導(dǎo)地位，為使太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換率提高，節(jié)約制作成本，我們?cè)诓粩嘌芯啃滦筒牧?。因此ZnO和CdS兩種材料研究熱點(diǎn)。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(zhì)結(jié)的特性。對(duì)其針對(duì)太陽(yáng)能的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1. 引言

ZnO作為一種II-VI族半導(dǎo)體材料，無(wú)毒無(wú)害，易于制備，在太陽(yáng)能電池及其它光電器件領(lǐng)域是一種很好的半導(dǎo)體材料。CdS是一種Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，一種極性半導(dǎo)體。CdS作為最早被人們認(rèn)知的半導(dǎo)體材料之一，太陽(yáng)能器件的研究制造中得到了廣泛的應(yīng)用。本論文將ZnO、CdS兩種納米材料作為研究對(duì)象。

2.太陽(yáng)能電池及其應(yīng)用展望

太陽(yáng)能發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式，被廣泛推廣。太陽(yáng)能電池一般由硅制成，但其成本高，轉(zhuǎn)換效率低，材料緊缺且含有有毒物質(zhì)。如何提高太陽(yáng)光線利用率，采用成本低廉無(wú)污染材料，成為主要研究課題。當(dāng)前的太陽(yáng)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(wú)定形硅薄膜電池等。薄膜電池又分薄膜太陽(yáng)能電池和柔性沉底薄膜太陽(yáng)能電池。其中硅基太陽(yáng)能電池應(yīng)用較為廣泛，但薄膜太陽(yáng)能電池具有質(zhì)量輕、價(jià)格低廉、性能良好、工藝制作簡(jiǎn)單易于大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)。因此現(xiàn)如今越來(lái)越多的科學(xué)家開始研究柔性襯底薄膜太陽(yáng)能電池。

對(duì)于太陽(yáng)能電池，由于光生載流子將在整個(gè)器件內(nèi)產(chǎn)生，因此要盡量增加太陽(yáng)光的接觸面積，使電子空穴對(duì)的分離和收集更有效，從而增加材料的光吸收效率。因此設(shè)計(jì)了納米線陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(gè)獨(dú)立的器件，在原基片上直接制成太陽(yáng)電池，保留電池優(yōu)秀的光伏效率，提高光電轉(zhuǎn)換效率。如果器件厚度與入射光透射深度相當(dāng)，并且體相少數(shù)載流子壽命足夠短的情況下，納米線結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)就更加的明顯。

3.ZnO/CdS納米異質(zhì)節(jié)的特性

ZnO是II-VI族的一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下其禁帶寬度為3.37eV。對(duì)紫外光具有強(qiáng)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(zhuǎn)換、傳感器、納米機(jī)電系統(tǒng)、場(chǎng)發(fā)射器件、納米激光器等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。可利用于紫外光探測(cè)器、發(fā)光二極管和激光二極管、氣敏傳感器、制作太陽(yáng)能電池。

CdS是一種Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體，早在1925年，Huggins就對(duì)其價(jià)電子分布做了系統(tǒng)的研究。

其制備較為成熟，應(yīng)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(zhì)結(jié)。

首先，以FTO薄膜作為襯底，通過(guò)磁控濺射濺射一層種晶層，利用水熱合成法生長(zhǎng)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(gòu)筑了ZnO/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜材料，如圖2可見，CdS分布較為均勻?？梢赃M(jìn)行異質(zhì)結(jié)陣列的研究。

在研究的過(guò)程當(dāng)中，一般評(píng)定光電能量轉(zhuǎn)換效率有三條標(biāo)準(zhǔn)：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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了ZnO/CdS納米核鞘異質(zhì)結(jié)陣列光電器件的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3。分別在FTO和ZnO/CdS納米異質(zhì)結(jié)表面上引出兩個(gè)電極，制備原器件。為下一步柔性襯底太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)研究，奠定了基礎(chǔ)。

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