硫化镉、硫化锌纳米结构的制备以及光电性能的研究

发布时间：2018-04-26 03:12

  本文选题：CdS纳米结构 + 原位生长　； 参考：《南京大学》2015年博士论文

【摘要】：纳米半导体材料在光电领域有着重要的应用,成了材料科学、凝聚态物理学以及固体电子学等的研究热点。纳米化的电子元件具有很多优势：提高集成度并降低功耗、节约成本等。但是,作为器件的基本元件,纳米材料的电学、光学、磁学以及化学性质决定着纳米器件在应用中的性能。因此,在低成本的前提下寻找合适的制备技术,制备优质的纳米材料已成为相关研究人员和应用开发者所追求的目标。半导体硫化镉(CdS)的能带宽度为2.42 eV,在光催化、光电检测、光电转换等领域有重要的应用,如作为窗口材料广泛应用在薄膜光伏太阳电池中,以碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、铜锌锡硫(CZTS)等薄膜为基础的太阳电池通常都使用CdS薄膜作为n型窗口材料,因而具有优良性能的CdS窗口层的制备是高效薄膜太阳电池的重要基础。本论文以CdTe薄膜光伏太阳电池的制备工艺为基础,制备了CdS窗口材料。主要内容包括：(1)发展了一种原位制备CdS的生长方法。具体工艺过程为：通过近空间升华法制备p型CdTe薄膜,将H2S/N2的混合气体通入生长腔并退火,这样,在CdTe薄膜上原位生长了n型CdS薄膜或者纳米线结构,并通过工艺参数的控制获得了CdS/CdTe的pn结,有望在低制备成本的前提下,为形成CdTe基太阳薄膜电池提供新的工艺方法。借助原位制备工艺,我们还成功地制备了其它系列过渡金属硫化物的纳米结构,如ZnS、CuS等纳米结构。(2)研究了高真空蒸发法和近空间升华法制备的CdTe薄膜的工艺过程和薄膜的光电性能。高真空蒸发生长的CdTe薄膜,其颗粒尺寸小于15 nm,薄膜表面平整,粗糙度约为4nm；近空间升华制备的CdTe薄膜的颗粒尺寸大,达到几个微米,甚至几十微米,表面粗糙度约0.3微米。大颗粒尺度的CdTe薄膜具有结晶度好,电池效率高、成本低的优点。为此我们选择近空间升华法制备CdTe薄膜。(3)研究了Au催化剂对CdS纳米结构形成的作用。Au作为一种常见的催化剂,它会诱导纳米结构在数量上的增加和形貌上的改变。沉积了不同厚度Au膜的CdTe薄膜置于H2S/N2混合气流中,在同一温度下进行退火,结果表明,Au膜的厚度影响了CdS纳米结构的形貌。当Au膜的厚度为5 nm时,纳米结构的形状是纳米线,而Au膜的厚度为15 nm时,纳米结构的形状是纳米片。从高分辨透射电镜中可知,CdS纳米线和纳米片都是单晶的六方纤锌矿结构,同时CdS纳米线的生长方向沿着(110)面生长,根据光致发光可知纳米结构的形貌差异可以有效地调节了CdS的发光性能。(4)研究了无模板、无催化剂的条件下,CdS纳米结构的生长。我们直接把CdTe薄膜放入H2S/N2的混合气流中退火。随着退火温度的增加,CdTe的成份逐渐减弱,直至消失；而CdS的成份逐渐增强。这一由CdTe变为CdS的过程也在拉曼、X射线光电子能谱和光致发光图谱中观测到。当退火温度在400℃以下时,在表面形成了CdS薄膜,并伴随有少量的纳米线结构出现。随着退火温度进一步升高,纳米线的数量显著增加,当温度超过500℃时,纳米线的数量急剧减少,并且表面留下了很多纳米孔洞。在以上研究的基础上,我们提出了CdS纳米结构的生长机理：CdTe与H2S气体发生反应生成CdS,由于两层薄膜之间的晶格失配产生了应力,最后促使了纳米线的形成。我们在Mo玻璃上生长了CdTe薄膜,通过在H2S气氛中退火,成功制备出了CdS/CdTe异质结,同时也对制备过程中的每个环节进行了详细的分析。低温退火下制备的pn异质结展示了正常的Ⅰ-Ⅴ曲线,而高温退火下制备的异质结展示了反常的Ⅰ-Ⅴ曲线,这种非常规的pn结归因于纳米pn结的并联和pn结中的纳米孔洞。(5)生长了CuS、ZnS纳米结构,并研究了其光学性能。其过程是将Zn片和覆盖Au膜的Zn片放入H2S/N2的混合气流中退火。结果表明：Zn片高温退火后,在表面原位形成了六方结构和立方结构混合的ZnS纳米线结构；覆盖Au膜的Zn片在高温退火后,在表面原位形成了六方单晶结构ZnS纳米带结构。ZnS线是Zn自催化生长的结构,纳米带在宽度方向上是Zn的自催化的结果,而在长度方向上是Au和Zn共同催化的结果。
[Abstract]:In this paper , CdS thin films are grown in situ by means of near - space sublimation method .
This paper deals with the effect of Au catalyst on the formation of CdS nano - structure . The results show that the nano - structure has the advantages of good crystallinity , high efficiency and low cost .
CdS / CdTe thin films were grown on Mo glass by annealing in H2S atmosphere .
The ZnS nano - band structure of hexagonal single crystal structure is formed in situ on the surface of Zn sheet covering Au film . The ZnS line is the structure of Zn self - catalytic growth , and the nanoribbons are self - catalyzed results of Zn in the width direction , and Au and Zn in length direction are the result of co - catalysis of Au and Zn .

【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

【参考文献】

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本文编号：1804224