[发明专利]铕掺杂锌基薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化锌薄膜材料技术领域，具体涉及用做染料敏化太阳能电池光阳极的铕掺杂的氧化锌聚集体薄膜及其制备方法。

背景技术

随着人类对能源需求的飞速增长，能源危机已经成为世界各国经济发展中急待解决的问题。太阳能因其具有清洁、便利、取之不尽、用之不竭、免维护等优点，将成为21世纪最有希望的能源之一。太阳能电池将太阳能直接转化为电能，是利用太阳能资源的一种非常有效地手段。近年来，太阳能电池已经广泛应用在国民经济的许多领域，备受人们关注。

在太阳能电池中，染料敏化太阳能电池（DSCs）是一种非常有应用前景的清洁太阳能装置，它具有结构简单、成本低廉、易于制造等优点，自诞生之日起就受到了人们的重视。染料敏化太阳能电池主要是由光诱导电荷分离来实现光电转换，因而开发同时具备高比表面积和高光电吸收效率的半导体氧化物薄膜电极材料是提高电池光电转换效率的关键因素和发展趋势。传统的光阳极材料是二氧化钛，经过二十多年的发展，其中以氧化锌薄膜材料为光阳极的染料敏化太阳能电池受到越来越广泛的关注。氧化锌因其形貌容易控制，非常高的电子迁移率（～205-1000cm²V^-1 s^-1）以及被应用在染料敏化太阳能电池光阳极时比二氧化钛有着更快的光生电子的扩散传输等优势显现出良好的发展前景。

但是，常用氧化锌材料的禁带宽度为3.37eV，仅能吸收利用太阳光中波长小于380nm的紫外光，也就是只能利用到达地面的太阳光能的3～4％，因此拓展氧化锌的光谱响应范围充分利用太阳能成为解决问题的关键。近年来用掺杂改性氧化锌，缩小其禁带宽度使其吸光范围向可见光波长范围扩展是研究的热点。如，Bhat S.V.等（Bhat S.V.，Deepak F.L.,Solid State Commun.,2005,135,345）报道了Mn、Co、Ni元素掺杂到氧化锌里缩减了氧化锌的禁带宽度，增加了可见光吸收。Senthikumaar S.等（Senthilkumaar S.,Rajemdran K.，Banerjee S.et al,Mat.Sci.Semicon.Proc.,2008,11,6）也报道了Mn掺杂使得氧化锌禁带宽度减小。此外，除了拓展光响应范围，近年来研究表明金属掺杂氧化锌可以降低氧化锌的电阻率，使其更利于电子在氧化锌中的传输。如，Jeong等（Jeong S.H.,Lee J.W.,LeeS.B.,Boo J.H.,Thin Solid Films,2003,435,78）报道了由Al（OH）₃作为掺杂源的Al掺杂氧化锌薄膜比纯氧化锌薄膜有着更低的电阻率和更高的透射率。Seung Wook Shin等（Shin S.W.,Kim I.Y.,Lee G.H.et al,Cryst.Growth.Des.,2011,11,4819）报道了Mg和Ga共掺杂到氧化锌里使得氧化锌的电阻率随着Ga含量的增加而降低

铕作为一种新颖有效的金属掺杂元素也被尝试着应用于氧化锌材料改性领域。如，Du Ya-Ping等（Du Y.P.，Zhang,Y.W.,Sun L.D.,Yan C.H.,J.Phys.Chem.C,2008,112,12234）报道了铕掺杂氧化锌纳晶有着更有效的能量转移。Wang Dandan等（Wang D.,Xing G.,Gao M.et al,J.Phys.Chem.C,2011,115,22729）报道了铕修饰的氧化锌纳米线阵列有着拓展的光致发光性能。然而，目前对于铕掺杂氧化锌的研究大部分集中于发光材料领域；同时，通过查阅国内外相关期刊文献以及专利资料发现当前应用铕掺杂的ZnO材料虽然已被证实在紫外光和可见光下都表现出了优越的光学性能，但却始终没有被合理有效地引入可见光响应型薄膜材料制备及应用领域，在太阳能电池的应用上更是形成了一个空缺。

发明内容

本发明的目的在于提供具有低电阻率可见光活性的铕掺杂锌基薄膜材料及其制备方法。本发明方法简单易行，可控性和重复性好。

铕掺杂ZnO纳晶聚集体，其特征在于，该铕掺杂ZnO纳晶聚集体中掺杂的铕为三价铕离子，铕与锌的摩尔比为0.01～0.5：1，该聚集体的形貌为球形的多级分散纳晶聚集体，粒径为50～2000nm。