文档介绍：硕士学位论文

论文题目一维硅微纳结构的制备及其光电/光电化学性能研究

研究生姓名张莹

指导教师姓名张晓宏

专业名称材料学

研究方向半导体材料物理与化学

论文提交日期 2013 年 6 月 17 日
一维硅微纳结构的制备及其光电/光电化学性能研究中文摘要

中文摘要

将太阳能转换成电能或化学能是解决清洁能源供给问题的重要途径之一,寻
找合适的太阳能转换材料并构筑高效的转换体系是太阳能转换领域的核心科学问
题。光电化学池(PEC)及太阳能电池是重要的太阳能转换器件,受到越来越广泛
地重视。针对现有太阳能转换系统中存在的可见光不能被有效利用,能量转换效
率低的瓶颈问题,本论文研究了一维硅微纳结构阵列、基于一维硅微纳结构有机/
无机复合结构的制备及其光电/光电化学性能。研究发现了硅微米管阵列可以作为
一种新型的光活性微纳结构,首次报道了该结构的大面积制备方法及其光电/光电
化学性能。在此基础上,研究了在硅微米结构表面构筑有机-无机复合结构的方法,
并探索了其在光伏电池和光催化制氢方面的应用。
第一,创新地利用泊松亮斑效应,结合反应离子刻蚀的方法制备出了硅微米
管阵列,这种方法可以通过改变曝光时间来控制管内径,通过改变刻蚀时间来控
制硅微米管的长度,并可以应用于大面积制备硅管阵列。同时,我们通过控制显
影时间和掩膜版图案制备了相同尺寸的硅微米孔和微米柱。通过比较研究三者的
光电化学性能,发现硅管结构的吸收性能处于硅孔和硅柱两者之间,但在光电化
学性能上表现出了最高的开启电压和最大的光电流。这可能是由硅管大的表面积
和更高的载流子收集效率造成的。
第二,发展出了利用循环伏安法在硅微米孔表面修饰了 PEDOT 的方法。这种
修饰方法制备出的 PEDOT 薄膜厚度均匀而且包覆完整。通过修饰前后的光电化学
性能对比发现,PEDOT 修饰后光电流有很大的提升,这主要是由于 PEDOT 修饰
后硅孔的表面复合大大降低,而且与硅材料能够形成 p-n 结以增强光生载流子分离
效果;另外 PEDOT 修饰后稳定性相对未修饰的硅微米孔有很大的提升,这主要是
由于 PEDOT 的修饰避免了硅表面和水溶液的直接接触,而 PEDOT 本身在氧化状
态下具有高稳定性,从而使 SiO2 的形成条件不足。研究结果显示修饰 PEDOT 会
对窄带隙半导体光催化剂抗腐蚀性能有很大的帮助。
第三,在甲基修饰的硅微米管表面旋涂一层 PEDOT,并将其应用于太阳能电
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一维硅微纳结构的制备及其光电/光电化学性能研究中文摘要
池,测试了所构建电池的光伏性能,得到了 %的效率,初步证明硅管-PEDOT
杂化太阳能电池的可行性,但得到的短路电流和填充因子由于金属电极制备方面
的原因还偏低。在器件结构和制备工艺方面还需要做大量的工作来提高太阳能电
池的性能,并改变硅材料的质量探讨其优势,相信基于硅管-PEDOT 大分离界面
和相对较短的少子扩散程等优势,硅管-PEDOT 杂化太阳能电池有可能实现 10%
以上的转换效率。

关键词:硅一维微纳结构,PEDOT,光电化学制氢,太阳能电池

作者:张莹
指导老师:张晓宏
II
一维硅微纳结构的制备及其光电/光电化学性能研究英文摘要

The Fabrication And Photoelectric/Photoelectrochemical
Properties Of One-dimensional Silicon
Micro/nanostructure
Abstract
Converting solar energy to electricity or chemical energy is one of the important
approaches to e the limit supply of clean energy source. The key issue of the
solar conversion is to search for the appropriate solar conversion material and build an
efficient conversion system. Photoelectrochemical cell (PEC) and solar cell are
important solar conversion devices that had attracted intensive attentions. However,
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