[发明专利]氧化锌纳米柱阵列材料及操控氧化锌纳米柱阵列密度与光学带隙的电化学沉积方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构材料领域，具体地，涉及一种氧化锌纳米柱阵列材 料及操控氧化锌纳米柱阵列密度与光学带隙的电化学沉积方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)是一种具有压电和光电特性的半导体材料，作为一种宽 禁带半导体具有Eg～3.3eV(在300K)的直接带宽和60meV的激子束缚能， 是一种价格低廉、原料来源丰富、性能稳定、无毒且对环境友好的材料。

对于新一代薄膜太阳能电池的研发，目标为既要进一步提升其转换效 率，又要同时降低其生产成本，从而提高其性价比。提升太阳能电池的转换 效率可以通过增加其入射光通量、提高其光吸收率和增强电池的光生载流子 的收集来实现。在传统的薄膜结构太阳电池中植入ZnO纳米柱阵列，将能 够从光学与电学两个途径提升太阳能电池的性能。作为收集与输运光生载流 子的ZnO纳米柱，要求其带隙宽度与功函数等半导体材料参数可调控，从 而可以控制ZnO纳米柱与吸收层材料之间的能带结构图像，保证光生载流 子的有效收集与输运。因此亟需发展新方法制备半导体性能参数可控的高质 量ZnO纳米柱阵列。另一方面，若要实现吸收层材料在纳米柱阵列之间的 有效填充，则需增大纳米柱的间距。因此亟需发展新方法制备半导体性能参 数及阵列密度与间距可控的ZnO纳米柱阵列。

现有技术中，采用电化学法制备的氧化锌(ZnO)纳米结构阵列(例如： TheJournalofPhysicalChemistryC,2011,115,5239-5243)，通过控制生长条 件，操控纳米柱的生长速率、功函数与电学性质，但无法操控所生长的纳米 结构阵列密度与光学带隙。

发明内容

本发明的目的是克服现有的氧化锌纳米柱阵列材料的制备方法所制备 的氧化锌纳米柱阵列的纳米结构阵列的密度与光学带隙无法操控的缺陷，提 供一种新的氧化锌纳米柱阵列材料以及操控氧化锌纳米柱阵列密度与光学 带隙的电化学沉积方法。

本发明提供了一种氧化锌纳米柱阵列材料，其中，该氧化锌纳米柱阵列 材料掺杂有镓组分，纳米柱阵列的密度为3×10⁹cm^-2至9×10⁹cm^-2，光学带隙 为3.2-3.8eV。

本发明还提供了一种操控氧化锌纳米柱阵列密度与光学带隙的电化学 沉积方法，该方法包括：使生长基底在含有锌源前驱体、铵盐和镓盐的溶液 中进行电化学沉积。

本发明还提供了由上述方法制备的氧化锌纳米柱阵列材料。

在本发明中，通过在电化学沉积的反应溶液中同时引入铵盐和镓盐，以 促进镓掺杂进入氧化锌纳米柱阵列中，使得氧化锌纳米柱阵列的密度和光学 带隙可以在特定的范围内进行操控，进而使得该氧化锌纳米柱阵列材料在太 阳能电池、发光二极管、紫外激光器、紫外光电探测器、气体传感器等领域 中展现出广泛的应用前景。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1(a)是对比例1中未加镓盐和铵盐的配方制备的ZnO纳米柱阵列的 扫描电子显微镜(SEM)照片。图1(b)是实施例6中加入镓盐和铵盐的配 方制备的ZnO纳米柱阵列的SEM照片。

图2(a)和2(b)是分别是对比例1中未加入镓盐和铵盐的配方制备的 ZnO纳米柱阵列的光学带隙谱图和对比例2中加入镓盐，未加入铵盐配方制 备的ZnO纳米柱阵列的光学带隙谱图。图2(c)-2(f)分别是实施例1、4、5 和6中加入不同浓度的镓盐和铵盐的配方制备的ZnO纳米柱阵列的光学带 隙谱图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本文中披露的所有范围都包含端点并且是可独立结合的。本文中所披露 的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解 为包含接近这些范围或值的值。

本发明提供了一种氧化锌纳米柱阵列材料，其中，该氧化锌纳米柱阵列 材料掺杂有镓组分，纳米柱阵列的密度为3×10⁹cm^-2至9×10⁹cm^-2，光学带隙 为3.2-3.8eV。