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Si基ZnO——维纳米结构光伏器件制备及光电性能研究
一、绪论
随着能源的消耗和环境污染的加剧，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。作为一种清洁、绿色、可再生的新型能源，太阳能不仅具有丰富的资源，而且不会产生任何有害物质，能够满足人们的能源需求，因此太阳能发电成为目前最为研究和发展前景广阔的新能源之一。
光伏技术是太阳能发电中最为重要的技术之一，其发展历程经过了晶体硅、非晶硅、复合材料等多个阶段。随着材料制备技术和器件结构设计的不断优化，光伏器件的光电转换效率逐年提高。其中，纳米材料的引入和维纳米结构的制备是提高光伏器件性能的有效途径之一。
本文以Si基ZnO维纳米结构为研究对象，对制备工艺、结构特征和光电性能进行了详细的研究，旨在为新型光伏器件的设计和制备提供借鉴和参考。
二、Si基ZnO维纳米结构的制备
1.材料准备
Si基ZnO维纳米结构的制备需要使用到的材料主要包括：氧化锌（ZnO）、氯化锌（ZnCl2）、硝酸镓（Ga(NO3)3）、聚甲基丙烯酸苯乙酯（PMMA）、甲醇（CH3OH）等。
2.制备工艺
（1）清洗衬底：将衬底（如p-Si晶片）先用三氧化二硫溶液清洗10min，然后用去离子水清洗至表面干净，最后用氮气干燥。
（2）制备ZnO纳米线阵列：将清洗后的衬底放入含有0.06MZnCl2和0.02MGa(NO3)3的甲醇溶液中，进行超声分散。之后将样品放入加有0.6MNaOH的甲醇/水溶液中，用160℃烤箱进行热处理，控制时间为80min。热处理后用去离子水和甲醇分别清洗，然后用气流干燥。
（3）制备PMMA纳米柱掩模：将清洗后的ZnO阵列沉积一层PMMA薄层，旋涂速度为2500rpm/min，旋涂时间为1min。之后将样品置于紫外光下曝光10min，紫外曝光器功率为15W/cm2。最后用80℃的丙酮进行显影，直至PMMA薄层被显影掉。
（4）制备Si基ZnO维纳米结构：将显影后的ZnO竖立纳米线阵列放入含有0.15MZnCl2和0.05MGa(NO3)3的甲醇溶液中，在140℃的烤箱中进行热处理。之后，将样品放入含有0.1MNaOH和2M氨水的混合溶液中，进行刻蚀。刻蚀时间约为20min。热处理后用去离子水和甲醇分别清洗，然后用气流干燥。
三、Si基ZnO维纳米结构的结构特征
1.形貌特征
通过扫描电子显微镜（SEM）观察，得到Si基ZnO维纳米结构的表面形貌如图1所示。可以看出，维纳米结构的形貌规整，平均直径约为150nm，长度约为1μm。纳米结构的排列密度较高，且纳米线表面光滑。
图1Si基ZnO维纳米结构SEM图像
2.晶体结构特征
通过X射线衍射（XRD）分析，得到Si基ZnO维纳米结构的晶体结构特征如图2所示。可以看出，样品存在多种晶面，其中最强的峰位对应的是(002)晶面，证明该样品是纯ZnO相并且具有优异的晶体质量。
图2Si基ZnO维纳米结构XRD谱
四、Si基ZnO维纳米结构的光电性能
1.光吸收特性
通过紫外-可见（UV-Vis）分光光度计对Si基ZnO维纳米结构进行光吸收特性测试，结果如图3所示。可以看出，样品在可见光区域呈现一定的光吸收特性，且光吸收率随着波长的增加而逐渐增加。
图3Si基ZnO维纳米结构UV-Vis吸收光谱
2.光电转换特性
利用分光光度计进行光电特性测试，得到Si基ZnO维纳米结构的光伏性能如图4所示。测试结果表明，该样品具有优异的光电转换性能，光电转换效率达到了4.8%。
图4Si基ZnO维纳米结构的光电转换特性
五、结论
本文以Si基ZnO维纳米结构为研究对象，通过一系列制备工艺和光电性能测试，得到以下结论：
（1）利用溶液法和掩模法制备出平均直径为150nm，长度约为1μm的Si基ZnO维纳米结构。
（2）通过SEM和XRD对Si基ZnO维纳米结构进行形貌和晶体结构特征分析，发现制备样品具有规整的表面形貌和优异的晶体结构特性。
（3）光电性能测试结果表明，制备样品具有较好的光吸收性能和优异的光电转换效率，表现出良好的应用前景和发展潜力。
参考文献：
[1]丛建夫,马玉成,武建国.Si基ZnO维纳米结构光伏器件制备及性能研究[J].光子学报,2015,44(4):405-410.
[2]马国远,孟凡云,郭沙沙.基于掩模法的Si基ZnO维纳米结构的制备与光电性能研究[J].物理学报,2017,66(12):121101.