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技术

本发明专利技术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。该氧化锌纳米柱阵列材料掺杂有铟组分，纳米柱阵列的密度为2×109cm-2至16×109cm-2，光学带隙为3.2-3.8eV；该方法包括：使生长基底在含有锌源前驱体、铵盐和铟盐的溶液中进行电化学沉积。在本发明专利技术中，通过在电化学沉积的反应溶液中同时引入铵盐和铟盐，以促进铟掺杂进入氧化锌纳米柱阵列中，使得氧化锌纳米柱阵列的间距、密度和光学带隙可以在特定的范围内进行操控。

Zinc Oxide nano column array material and electrochemical deposition method for controlling Zinc Oxide nano column array density and optical band gap

The invention relates to a Zinc Oxide nano column array material and an electrochemical deposition method for controlling the density and the optical band gap of the Zinc Oxide nanometer column array. The Zinc Oxide nano column array materials doped with indium composition, nano column array density is 2 * 109cm-2 to 16 * 109cm-2, the optical band gap is 3.2-3.8eV; the method comprises the following steps: the growth substrate were electrochemically deposited in solution containing zinc and indium source precursor, ammonium salt in the. In the invention, the reaction solution in electrochemical deposition of indium salt and ammonium salt is also introduced, in order to promote Zinc Oxide into the indium doped nano column array, the spacing, optical density and Zinc Oxide nano column array band gap can be manipulated in a specific range.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术提供了一种氧化锌纳米柱阵列材料，该氧化锌纳米柱阵列材料掺杂有铟组分，纳米柱阵列的密度为2×109cm-2至16×109cm-2，光学带隙为3.2-3.8eV。本专利技术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、铵盐和铟盐的溶液中进行电化学沉积。本专利技术还提供了由上述方法制备的氧化锌纳米柱阵列材料。在本专利技术中，通过在电化学沉积的反应溶液中同时引入铵盐和铟盐，以促进铟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。本专利技术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中未加铟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3中加入铟盐和铵盐的配方制备的ZnO纳米柱阵列的SEM照片。图2是实施例3制备的氧化锌纳米柱阵列材料A3的X射线光谱图。图3(a)是对比例1中未加入铟盐和铵盐的配方制备的ZnO纳米柱阵列的光学带隙谱图，图3(b)是实施例3制备的氧化锌纳米柱阵列材料A3的光学带隙谱图。具体实施方式以下对本专利技术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专利技术，并不用于限制本专利技术。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。本专利技术提供了一种氧化锌纳米柱阵列材料，该氧化锌纳米柱阵列材料掺杂有铟组分，纳米柱阵列的密度为2×109cm-2至16×109cm-2，光学带隙为3.2-3.8eV。在优选情况下，所述氧化锌纳米柱阵列材料的纳米柱阵列的密度为5.8×109cm-2至14×109cm-2，光学带隙为3.6-3.7eV。在所述氧化锌纳米柱阵列材料中，相邻的纳米柱的平均间距可以为10-20nm。在本专利技术中，纳米柱阵列的密度和间距通过扫描电镜图片的统计评估测定。氧化锌纳米柱阵列材料的光学带隙通过该材料的透射光谱计算得到。在所述氧化锌纳米柱阵列材料中，相对于100重量份的氧化锌，所述铟组分的含量(也即掺杂量)可以为0.25-5重量份，优选为1-4重量份。在所述氧化锌纳米柱阵列材料中，所述铟组分可以为铟原子和/或铟的氧化物，优选为铟原子进入氧化锌晶格替代锌格位或形成间隙原子。本专利技术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、铵盐和铟盐的溶液中进行电化学沉积。在本专利技术提供的所述方法中，所制备的氧化锌纳米柱阵列材料的纳米柱阵列密度和间距以及光学带隙可以通过调整所述含有锌源前驱体、铵盐和铟盐的溶液中的锌源前驱体、铵盐和铟盐的浓度、电化学沉积温度和电位进行操控。具体地，氧化锌纳米柱阵列的密度可以在2×109cm-2至16×109cm-2的范围内进行调控，优选在5.8×109cm-2至14×109cm-2的范围内进行调控；氧化锌纳米柱阵列的光学带隙可以在3.2-3.8eV的范围内进行调控，优选在3.6-3.7eV的范围内进行调控；氧化锌纳米柱阵列的相邻纳米柱的平均间距可以在10-20nm的范围内进行调控。在所述含有锌源前驱体、铵盐和铟盐的溶液中，所述铵盐与所述锌源前驱体的摩尔比可以为4-100：1，优选为10-50：1。在所述含有锌源前驱体、铵盐和铟盐的溶液中，所述铟盐与所述锌源前驱体的摩尔比可以为0.1-2：100，优选为0.4-1：100。在所述含有锌源前驱体、铵盐和铟盐的溶液中，所述锌源前驱体的浓度可以为1-20mmol/L。优选地，所述铟盐的浓度为1-100μmol/L，更优选为10-50μmol/L；所述铵盐的浓度为10-500mmol/L，更优选为50-200mmol/L。在本专利技术中，所述锌源前驱体的种类可以为本领域技术人员所公知的各种应用于氧化锌纳米材料合成的锌源前驱体，例如，所述锌源前驱体可以选自硝酸锌、乙酸锌、草酸锌、硫酸锌和氯化锌中的至少一种，优选为硝酸锌。在本专利技术中，所述铵盐可以为本领域常规使用的各种铵盐，例如可以选自硫酸铵、硝酸铵、氯化铵、乙酸铵和草酸铵中的至少一种。在本专利技术中，优选地，所述铟盐选自硝酸铟、氯化铟、溴化铟、硫酸铟和硫化铟中的至少一种。在本专利技术提供的所述方法中，所述电化学沉积过程可以按照本领域常规的方法实施。在优选情况下，所述电化学沉积的条件可以包括：温度为60-95℃，更优选为70-80℃；电位为-0.8V至-1.5V，时间为15分钟至3小时。在本专利技术中，所述生长基底可以为本领域常规使用的各种生长基底，例如，所述生长基底可以为透明导电氧化物、金属、纤维、聚合物和碳材料中的至少一种，优选为透明导电氧化物。其中，所述透明导电氧化物(TCO)基底优选选自氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺铟氧化锌(IZO)、掺镓氧化锌(GZO)、掺硼氧化锌(BZO)和掺氟的二氧化锡(FTO)中的至少一种。所述金属基底优选选自金、银、铜或它们的合金。所述纤维基底优选为棉丝或光纤。所述碳材料基底优选为碳纳米管或石墨烯。所述生长基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化锌纳米柱阵列材料，其特征在于，该氧化锌纳米柱阵列材料掺杂有铟组分，纳米柱阵列的密度为2×109cm‑2至16×109cm‑2，光学带隙为3.2‑3.8eV。

【技术特征摘要】
1.一种氧化锌纳米柱阵列材料，其特征在于，该氧化锌纳米柱阵列材料掺杂有铟组分，纳米柱阵列的密度为2×109cm-2至16×109cm-2，光学带隙为3.2-3.8eV。2.根据权利要求1所述的氧化锌纳米柱阵列材料，其中，该氧化锌纳米柱阵列材料的纳米柱阵列的密度为5.8×109cm-2至14×109cm-2，光学带隙为3.6-3.7eV。3.根据权利要求1或2所述氧化锌纳米柱阵列材料，其中，相邻的纳米柱的平均间距为10-20nm。4.根据权利要求1所述的氧化锌纳米柱阵列材料，其中，相对于100重量份的氧化锌，所述铟组分的含量为0.25-5重量份。5.根据权利要求1或4所述的氧化锌纳米柱阵列材料，其中，所述铟组分为铟原子和/或铟的氧化物。6.一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，其特征在于，该方法包括：使生长基底在含有锌源前驱体、铵盐和铟盐的溶液中进行电化学沉积。7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述含有锌源前驱体、铵盐和铟盐的溶液中，所述铵盐与所述锌源前驱体的摩尔比为4-100：1。8.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述含有锌源前驱体、铵盐和铟盐的溶液中，所述铟盐与所述锌源...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤洋，郭逦达，张德忠，陈颉，
申请(专利权)人：神华集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11