ZnO/CdS纳米异质节的特性及有机太阳能的应用展望

（1.海军大连舰艇学院基础部 大连 116018； 2.海军大连舰艇学院海洋测绘系 大连 116018）

摘要：由于能源紧缺，开发利用新能源成为全球聚焦点。一直以来单晶Si电池一直占太阳能电池主导地位，为使太阳能电池的转换率提高，节约制作成本，我们在不断研究新型材料。因此ZnO和CdS两种材料研究热点。本论文主要研究纳米微观下的ZnO，CdS材料，介绍ZnO/CdS纳米异质结的特性。对其针对太阳能的应用进行展望。

1. 引言

ZnO作为一种II-VI族半导体材料，无毒无害，易于制备，在太阳能电池及其它光电器件领域是一种很好的半导体材料。CdS是一种Ⅱ-Ⅵ族半导体由ⅡB族元素Cd和ⅥA族元素S组成。自然存在的CdS晶体有纤锌矿和闪锌矿两种结构，一种极性半导体。CdS作为最早被人们认知的半导体材料之一，太阳能器件的研究制造中得到了广泛的应用。本论文将ZnO、CdS两种纳米材料作为研究对象。

2.太阳能电池及其应用展望

太阳能发电是一种可再生的环保发电方式，被广泛推广。太阳能电池一般由硅制成，但其成本高，转换效率低，材料紧缺且含有有毒物质。如何提高太阳光线利用率，采用成本低廉无污染材料，成为主要研究课题。当前的太阳能电池，包括了晶体硅电池、薄膜电池以及其他材料电池。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。薄膜电池又分薄膜太阳能电池和柔性沉底薄膜太阳能电池。其中硅基太阳能电池应用较为广泛，但薄膜太阳能电池具有质量轻、价格低廉、性能良好、工艺制作简单易于大规模生产等特点。因此现如今越来越多的科学家开始研究柔性衬底薄膜太阳能电池。

对于太阳能电池，由于光生载流子将在整个器件内产生，因此要尽量增加太阳光的接触面积，使电子空穴对的分离和收集更有效，从而增加材料的光吸收效率。因此设计了纳米线阵列结构，通过包覆不同的纳米材料。这样使单位面积上的接触面积增大，可以把每一根纳米棒都想象成一个独立的器件，在原基片上直接制成太阳电池，保留电池优秀的光伏效率，提高光电转换效率。如果器件厚度与入射光透射深度相，并且体相少数载流子寿命足够短的情况下，纳米线结构的太阳能电池的优势就更加的明显。

3.ZnO/CdS纳米异质节的特性

ZnO是II-VI族的一种宽带隙半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37eV。对紫外光具有强烈的吸收特性，并兼有压电特性和热电特性。ZnO纳米材料在光电转换、传感器、纳米机电系统、场发射器件、纳米激光器等领域均有广阔的应用前景。可利用于紫外光探测器、发光二极管和激光二极管、气敏传感器、制作太阳能电池。

CdS是一种Ⅱ-Ⅵ族半导体，早在1925年，Huggins就对其价电子分布做了系统的研究。

其制备较为成熟，应用广泛，具有良好的可见光吸收，因此本文选用ZnO和CdS制备纳米异质结。

首先，以FTO薄膜作为衬底，通过磁控溅射溅射一层种晶层，利用水热合成法生长出ZnO均匀分布的纳米线阵列。接着利用三电极沉积法在ZnO纳米线阵列上均匀包覆了一层CdS薄膜，构筑了ZnO/CdS异质结构薄膜材料，如图2可见，CdS分布较为均匀。可以进行异质结阵列的研究。

在研究的过程当中，一般评定光电能量转换效率有三条标准：①高的光吸收性②有效的电荷分离③充分的电荷迁移。

本实验设计了ZnO/CdS纳米核鞘异质结阵列光电器件的实验装置，如图3。分别在FTO和ZnO/CdS纳米异质结表面上引出两个电极，制备原器件。为下一步柔性衬底太阳能电池的实验研究，奠定了基础。

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海军大连舰艇学院资助立项课题