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摘要: 为在新型纳米结构太阳能电池中应用ZnO纳米柱阵列材料，则要求能够对纳米柱的几何形貌与光电物理性质进行裁剪与操控。本文使用电沉积方法制备了ZnO纳米柱阵列，通过在电解液中使用Al（NO3）3 和NH4NO3，实现了对纳米柱晶体质量、直径、阵列密度、柱间距、Al掺杂浓度、光学带隙、近带边发射、斯托克斯位移等物理性质的调控。其可在28~102 nm范围内操控ZnO纳米柱的直径。NH4NO3的使用可将纳米柱的阵列密度降低至2.7×109 /cm2及将纳米柱间距增大至164 nm。电解液中NH4NO3的使用可将ZnO纳米柱中的Al/Zn重量比提升至2.92%，结果表明NH4NO3可以有效地促进ZnO纳米柱的Al掺杂。通过Al（NO3）3与NH4NO3可以对ZnO纳米柱的光学带隙在3.36~3.55 eV范围内进行裁剪，并对ZnO纳米柱的近带边发射性质进行操控。Al（NO3）3的引入使ZnO纳米柱的斯托克斯位移增大至200 meV。NH4NO3能够有效地将样品的斯托克斯位移降低至26 meV。通过使用Al（NO3）3 和NH4NO3实现了对ZnO纳米柱阵列几何形貌与光电物理性质的有效裁剪，获得了高质量的纳米柱阵列材料。Abstract: In order to achieve the implantation of the ZnO nanorod arrays in the nanostructured solar cells, it is necessary to tailor and control the nanorods’ morphology, optical and electrical properties. ZnO nanorods arrays were fabricated by electrodeposition. The physical properties such as the crystalline quality, diameter, density, distance, Al doping concentration, optical band gap energy, near band emission and stokes shift can be adjusted by using Al(NO3)3 and NH4NO3. The ZnO nanorods’ diameter can be adjusted from 28 nm to 102 nm. The nanorod arrays’ density can be reduced to 2.7×109 /cm2 by using NH4NO3, resulting in an increase in the distance between nanorods to 164 nm. The Al/Zn weight ratio was increased to 2.92% by using NH4NO3, indicating that NH4NO3 can boost Al doping in ZnO nanorods. The ZnO nanorods’ optical band gap energy can be tailored from 3.36 eV to 3.55 eV by using Al(NO3)3 and NH4NO3 and the near band edge emission can also be adjusted. The use of Al(NO3)3 led to the increase of the Stokes shift to 200 meV, but it can be greatly reduced to 26 meV as a result of the NH4NO3. The use of Al(NO3)3 and NH4NO3 resulted in the fabrication of high-quality ZnO nanorod arrays with effectively tailored morphology and optical properties.
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Key words:
- ZnO /
- ammonium nitrate /
- aluminum nitrate /
- electrodeposition /
- optical band gap energy /
- stokes shift
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1. 引 言
在过去20年，得益于技术进步与产业链协同，世界太阳能光伏产业获得了快速发展。光伏产业越来越呈现技术驱动的发展态势，新的光伏电池与组件技术快速出现并获得产业应用。由此引发了对于下一代太阳能电池的研发热潮。在现有的太阳能光伏电池中引入纳米结构阵列，是新一代太阳能电池的研究方向之一。ZnO纳米柱阵列具有较高的晶体质量与较低的缺陷态密度，适宜应用于新型太阳能电池结构中。ZnO纳米柱的制备方法主要有真空和非真空两大类：真空方法通常需要成本较高的真空设备以及较高的沉积温度[1-4]；非真空方法主要采用低温溶液[5-13]。电沉积方法即为低温溶液制备方法的一种。电沉积方法可在较低的生长温度下进行ZnO纳米柱阵列的制备，而且不需要密闭压力装置，可在常压下生长。此外，电化学技术与电沉积方法成熟度较高，可利用现有的成套电沉积装备将小面积实验室尺寸的工艺扩展至产线尺寸[14-17]。为将ZnO纳米柱阵列成功引入太阳能电池中并产生有效作用，需要对ZnO纳米柱的几何形貌和光电等物理性质进行裁剪与操控。ZnO纳米柱的几何形貌包括直径、高度、阵列密度、柱间距。光电物理性质包括功函数、光学带隙、近带边发射、斯托克斯位移等。对本征ZnO纳米柱阵列进行掺杂，可有效调控纳米柱的光电物理性质。在II-VI族的ZnO晶格中引入III主族元素进行掺杂，如Al、Ga、In等，可使ZnO纳米柱的载流子浓度增加，进而提高纳米柱的电导率。电沉积ZnO纳米柱阵列的电解液主要有Zn(NO3)2与 ZnCl2两类。Zn(NO3)2电解液体系下，ZnO中的O来自于NO3−，不需要在电解液中额外添加O2供给O源。在电解液中引入NH4NO3可获得高迁移率的ZnO纳米柱，且可对纳米柱的直径与阵列密度进行操控[9]。通过在电解液中使用Al(NO3)3 和NH4NO3，实现了对纳米柱的晶体质量、直径、阵列密度、柱间距、Al掺杂浓度、光学带隙、近带边发射、斯托克斯位移等物理性质的调控。ZnO纳米柱的直径和阵列密度的减小可以使纳米柱间距增大。同时，加入新的盐类可对ZnO纳米柱的光学带隙、近带边发射、斯托克斯位移等光学性质在一定范围内进行裁剪与操控。
2. 实 验
2.1 ZnO纳米柱阵列的电沉积生长制备
采用电沉积方法制备ZnO纳米柱阵列材料。电沉积采用三电极体系，将衬底材料作为工作电极。衬底选用钠钙浮法玻璃，在其上沉积一层掺铝氧化锌(AZO)薄膜作为导电层。对电极为铂薄片，参比电极是直径为1 mm的铂棒。制备5个样品，配置含有5 mmol/L Zn(NO3)2的电解液生长样品1。为制备样品2，首选配制含有5 mmol/L Zn(NO3)2的水溶液，之后在其中添加6 μmol/L Al(NO3)3。生长样品3~5的电解液中除含有5 mmol/L Zn(NO3)3与6 μmol/L Al(NO3)3外，还分别添加有10、50、100 mmol/L的NH4NO3。在电沉积实验开始前，首先将AZO玻璃基底切割成3.5 cm × 1.5 cm大小，之后将AZO玻璃基底依次分别在丙酮、乙醇、电阻率为18.2 MΩ•cm的超纯水中采用超声清洗。清洗时间各为2 min，清洗完毕后用氮气吹干，其后将衬底迅速移入电解池中。沉积电位为−1.34 V，生长时间为1000 s。电解液的温度采用水浴方法控制在75 ℃。电沉积过程结束后，移出电学连接构件，将夹持衬底的样品架转移出电解池，在去离子水中清洗衬底表面，其后用氮气吹干。实验过程中所用设备如下：电化学工作站，Ivium Technologies公司生产，型号为Iviumstat.XRi。磁控溅射设备选用中国科学院沈阳科学仪器公司生产的型号为JGP560设备。实验过程中所用材料如下：硝酸锌 (Zn(NO3)2•6H2O)，Alfa Aesar公司，纯度为99.998%。硝酸铵(NH4NO3)，J&K Scientific公司，纯度为99+%。硝酸铝(Al(NO3)3)，Alfa Aesar公司，纯度为99.999%。配制溶液的用水采用电阻率为18.2 MΩ•cm的超纯水。对电极与参比电极的铂材料由Alfa Aesar公司生产，纯度为99.997%。溅射掺铝氧化锌薄膜层的靶材为Al含量为3 wt%的ZnO靶材，Gfe公司，纯度为99.95%，密度为5.3 g/cm3。
2.2 ZnO纳米柱阵列的表征测试
使用X射线衍射(XRD)测试样品，型号为D8D，德国Bruker公司。使用扫描电子显微镜(SEM)观察形貌性质，型号为Nova Nano 450，美国FEI公司，同时用能量色散光谱(EDX)测试样品的Zn、Al元素含量百分比。采用分光光度计测试透射光谱, 设备型号为UV3600型，日本岛津公司，使用积分球收集透射反射光。对样品进行光致发光测试，设备型号为LabRAM HR800型，法国HORIBA公司，激发光源为He-Cd激光器，波长为325 nm，测试波长范围为300~700 nm。
3. 结果与讨论
3.1 ZnO纳米柱的XRD分析
图1为样品的XRD测试结果，由图1可见，所有样品的测试图谱中均具有一个较强的(002)衍射峰，表明所制备的ZnO纳米柱为c轴择优取向。样品1~5的衍射峰分别位于34.43°、34.41°、34.41°、34.41°、34.41°，衍射峰半高全宽分别为0.28°、0.28°、0.25°、0.23°、0.26°。根据XRD结果计算ZnO纳米柱的晶格常数分别为5.205×10−1 nm、5.208×10−1 nm、5.208×10−1 nm、5.208×10−1 nm、5.208×10−1 nm。ZnO体材料的晶格常数为5.206×10−1 nm，纳米柱的晶格常数与体材料的晶格常数相近，说明ZnO纳米柱中存在的应变较小。样品2的衍射峰半高宽与样品1衍射峰半高宽数值相同。样品3~5的衍射峰的半高宽小于样品1与样品2的半高宽，表明NH4NO3的加入能够增强ZnO纳米柱的晶体质量。
3.2 ZnO纳米柱的形貌
图2为样品的SEM照片，ZnO纳米柱的直径、阵列密度、柱间距数据列于表1中。由图2可见，样品1~5中的ZnO纳米柱均呈直立柱状形貌，纳米柱与衬底成垂直角度，这与前述XRD测试结果相一致，所有样品均为c轴择优取向。样品1中的平均直径为54 nm，标准差为15 nm，纳米柱的阵列密度为1.3×1010/cm2。纳米柱的阵列密度非常高，以至纳米柱紧密排列，柱间距近似为零。样品2的平均直径为57 nm，标准差为20 nm，阵列密度为1.1×1010/cm2，纳米柱的形貌及柱间距与样品1相近。样品2中出现了片状纳米结构，这可能是Zn-Al层状双羧基复合金属氧化物或片状ZnO纳米结构[18]。
表 1 ZnO纳米柱的直径、密度、间距Table 1. ZnO nanorods’ diameter, density and distanceSamples Diameter/nm Density/109 cm−2 Distance/nm 1 54±15 13.0 − 2 57±20 11.0 − 3 65±24 6.8 56 4 102±44 1.9 127 5 28±16 2.7 164 样品3在电解液中加入了 10 mmol/L的NH4NO3，ZnO纳米柱的平均直径为65 nm，标准差为24 nm，阵列密度为6.8×109/cm2，柱间距为65 nm。纳米柱的阵列密度由于NH4NO3的加入有所降低，柱间距有所增大。样品4在电解液中加入了50 mmol/L的NH4NO3，纳米柱的平均直径为102 nm，标准差为44 nm。样品4的纳米柱阵列密度进减小至1.9×109/cm2，柱间距增大至127 nm。制备样品5的电解液中的NH4NO3浓度增大至100 mmol/L，ZnO纳米柱的平均直径减小至28 nm，标准差为16 nm，阵列密度为2.7×109/cm2。样品5的平均直径相比样品1缩小了48%，阵列密度相比样品1降低了79%。由于纳米柱直径的减小以及阵列密度的降低，样品5的柱间距增大至164 nm。以Zn(NO3)2主电解液沉积ZnO纳米柱的生长过程的化学反应如下[8]：
Zn(NO3)2↔Zn2++2NO−3, (1) NO3−+2e+H2O→2OH−+NO2−, (2) Zn2++2OH−↔Zn(OH)2, (3) Zn(OH)2→ZnO+H2O. (4) 在电解液中加入100 mmol/L NH4NO3对ZnO纳米柱直径降低的过程发生在纳米柱的成核阶段。在成核阶段，引入的NH4NO3限制了成核点的尺寸，进而在后续的纳米柱生长阶段获得了直径更小的ZnO纳米柱。样品3~5中均未呈现出片状纳米结构，表明NH4NO3可以有效抑制片状纳米结构的生成，其可实现ZnO纳米柱中的Al掺杂，同时获得均一的纳米柱阵列材料。
3.3 ZnO纳米柱的Al含量
使用EDX测试分析样品1~5中的Al含量。样品1的Al/Zn重量比为零，表明在ZnO纳米柱中没有Al掺杂。样品2的Al/Zn重量比为0.51%，表明Al掺杂进ZnO纳米柱中。在具有不同浓度的NH4NO3(10、50、100 mmol/L)溶液中，得到的样品中Al/Zn重量比分别为0.50%、1.01%、2.92%。随着NH4NO3浓度的增加，ZnO纳米柱中Al的含量逐渐增加。图3为样品1~5的EDX能谱图，可见样品5的Al相关的峰明显增大，表明NH4NO3可以有效促进ZnO纳米柱中Al的掺杂。
3.4 ZnO纳米柱的透射光谱及其光学带隙
图4为样品的透射反射光谱。样品1与样品2的透射光谱与反射呈现出干涉图形，这是由于ZnO纳米柱阵列的密度非常高导致的。在样品3~5中，随着纳米柱阵列密度的降低，干涉图形逐渐减弱以至消失。样品1~5在350~1300 nm的太阳光谱加权透射率分别为79.4%、80.2%、78.7%、58.9%、71.6%。太阳光谱加权反射率分别为10.9%、10.1%、6.7%、7.6%、6.3%。样品1~5在400~760 nm的太阳光谱可见光区的加权透射率分别为83.2%、83.8%、80.7%、53.5%、69.7%。太阳光谱可见光区的加权反射率分别为11.6%、11.0%、7.6%、9.8%、7.5%。样品4的太阳光谱加权透射率相比其他样品有所下降，但样品4的加权反射率并未显著增加，表明透射率的减小是ZnO纳米柱对入射光的吸收所导致的，这可能是由于50 mmol/L NH4NO3的引入导致了ZnO纳米柱阵列中的光吸收增加。
对样品的透射光谱以(αhν)2线性拟合hν的形式计算光学带隙，其中α为吸收率，h为普朗克常量(6.626×10−34 J·s)，ν为频率。对于直接带隙半导体，取a∝ -Ln T，其中T为透射率。钠钙玻璃衬底上覆盖的掺铝氧化锌薄膜的光学带隙为3.65 eV。样品1~5的光学带隙均小于3.65 eV，因此可以对透射光谱进行拟合计算ZnO纳米柱的光学带隙，如图5（彩图见期刊电子版）所示。样品1的光学带隙为3.53 eV。样品2的光学带隙为3.55 eV，相比样品1蓝移20 meV。这可能是由于布尔斯坦-莫斯(Burstein-Moss)效应导致的。在ZnO晶格中Al作为施主，从而增加了ZnO的载流子浓度，导致ZnO的费米能级位置向上提升进入导带。在受光照时，价带的电子跃迁至导带底。此时由于费米能级位置已提高，占据了导带底，依据泡利不相容原理，电子跃迁至更高能级位置，表现为光学带隙的蓝移。样品3~5的光学带隙分别为3.43、3.36、3.42 eV，相比样品1分别红移10、17、11 meV，可能是来自于导带与价带中的自由载流子之间的多体效应[19]。
图 5 样品1~5的光学带隙拟合图谱（线性拟合线为红色直线）Figure 5. Fitting plots of the band gap energies of samples 1~5 (The linear fitting curve is shown in red)3.5 ZnO纳米柱的近带边发射与斯托克斯位移
图6为样品1~5的光致发光图谱。由图6可见，所有样品在近紫外区均呈现较强的近带边发射。样品的近带边发射峰表现为非对称的峰形，表明发射峰是由多个相近峰位的发射峰叠加而成。对样品1~5的近紫外区发射峰进行拟合分析，可拟合成NBE 1与NBE 2两个发射峰，拟合结果示于图7（彩图见期刊电子版）及表2中。样品1的NBE 1峰位于370.5 nm (3.347 eV)，半高宽为16.3 nm。样品2的NBE 1峰位于370.1 nm (3.350 eV)，半高宽为15.3 nm。样品2的NBE 1峰相比样品1蓝移4 meV。样品3~5的NBE 1峰分别位于371.7 nm (3.336 eV)、371.9 nm (3.334 eV)、369.8 nm (3.353 eV)，半高宽分别为17.7、17.8、17.8 nm。样品3~4的NBE 1峰相比样品1红移11 meV、13 meV。样品5的NBE 1峰相比样品1蓝移6 meV。样品3~4的NBE 1峰相比样品2红移14 meV、16 meV。样品5的NBE 1峰相比样品1蓝移3 meV。
图 6 样品1~5的室温光致发光图谱Figure 6. Photoluminescence spectra of samples 1~5 at room temperature
图 7 样品1~5的室温光致发光图谱在300~470 nm范围的高斯拟合结果Figure 7. Gauss fitting results of photoluminescence spectra of samples 1~5 (300~470 nm) at room temperature表 2 样品1~5中ZnO纳米柱的NBE 1、NBE 2峰位、斯托克斯位移。（样品1~5的近带边发射峰位为拟合峰）Table 2. NBE 1, NBE 2 peak positions, and stokes shift of the ZnO nanorods in samples 1~5. The NBE peaks in samples 1~5 were from the fitting peaks.Samples NBE 1(eV) NBE 2(eV) Stokes shift (meV) 1 3.347 3.252 183 2 3.350 3.263 200 3 3.336 3.227 94 4 3.334 3.221 26 5 3.353 3.236 67 样品1的NBE 2峰位于381.3 nm (3.252 eV)，半高宽为33.3 nm。样品2的NBE 2峰位于380.0 nm (3.263 eV)。样品2的NBE 2峰相比样品1蓝移11 meV。样品3~5的NBE 2峰分别位于384.2 nm (3.227 eV)、384.9 nm (3.221 eV)、383.1 nm (3.236 eV)，半高宽分别为31.4 nm、31.6 nm、33.3 nm。样品3~5的NBE 2峰相对样品1分别红移25 meV、30 meV、15 meV，相对样品2分别红移36 meV、42 meV、26 meV。样品1与样品2的NBE 2与NBE 1峰强度之比分别为0.69、0.65。样品3~5的NBE 2与NBE 1峰强度之比分别为0.42、0.41、0.40。表明随着电解液中NH4NO3浓度的增加，NBE 2峰的强度有所减弱。
根据样品的光学带隙和近带边发射计算斯托克斯位移。样品1的斯托克斯位移为183 meV。样品2的斯托克斯位移为200 meV，相比样品1增大了17 meV。样品3~5的斯托克斯位移分别为94、26、67 meV，相比样品1分别减小了89、157、116 meV，相比样品2分别减小了106、174、133 meV。NH4NO3能够有效降低样品的斯托克斯位移，获得高质量的ZnO纳米柱阵列。在电解液中加入的NH4NO3使得电解液的PH值得以降低，较低的PH值将有效地促进高质量ZnO纳米柱的生长[20]。在有NH4NO3存在的生长溶液中存在以下化学反应：
NH4++H2O↔NH3+H3O+. (5) Zn2+将与NH3络合形成Zn(NH3)2+，Zn(NH3)2+将会有助于在生长过程中促进高质量ZnO纳米柱的形成[9]。
4. 结 论
使用电化学沉积方法在覆盖有导电氧化物薄膜的钠钙玻璃衬底上生长了ZnO纳米柱阵列。通过在电解液中使用Al(NO3)3 和NH4NO3，实现了对纳米柱的晶体质量、直径、阵列密度、柱间距、Al掺杂浓度、光学带隙、近带边发射、斯托克斯位移等物理性质的调控。ZnO纳米柱中存在较小的应变，NH4NO3的加入能够增强ZnO纳米柱的晶体质量。通过使用Al(NO3)3与NH4NO3，可以实现ZnO纳米柱直径在28~102 nm范围内的操控。当NH4NO3浓度增大至100 mmol/L，ZnO纳米柱的平均直径减小至28 nm。NH4NO3的使用同时降低了纳米柱的阵列密度，ZnO纳米柱的阵列密度可由1.3×1010 /cm2降低至2.7×109 /cm2，纳米柱间距随之增大至164 nm。增大的纳米柱间距有助于后续太阳能电池吸收层材料的有效填充。随着NH4NO3浓度的增加，ZnO纳米柱中的Al含量逐渐增加，Al/Zn重量比可增加至2.92%，表明NH4NO3可以有效促进ZnO纳米柱的Al掺杂。通过Al(NO3)3与NH4NO3的使用可以对ZnO纳米柱的光学带隙在3.36~3.55 eV范围内进行裁剪，并对ZnO纳米柱的近带边发射性质进行操控。ZnO纳米柱在近紫外区均呈现较强的近带边发射，近带边发射峰表现为非对称的峰形，表明发射峰是由多个相近峰位的发射峰叠加而成的，可拟合成两个发射峰。Al(NO3)3的引入将ZnO纳米柱的斯托克斯位移增大至200 meV。NH4NO3能够大幅减小斯托克斯位移至26 meV。高质量的物理性质可裁剪的ZnO纳米柱阵列有望在包括太阳能电池在内的新型光电器件中获得应用。
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图 5 样品1~5的光学带隙拟合图谱（线性拟合线为红色直线）
Figure 5. Fitting plots of the band gap energies of samples 1~5 (The linear fitting curve is shown in red)
图 6 样品1~5的室温光致发光图谱
Figure 6. Photoluminescence spectra of samples 1~5 at room temperature
图 7 样品1~5的室温光致发光图谱在300~470 nm范围的高斯拟合结果
Figure 7. Gauss fitting results of photoluminescence spectra of samples 1~5 (300~470 nm) at room temperature
表 1 ZnO纳米柱的直径、密度、间距
Table 1. ZnO nanorods’ diameter, density and distance
Samples Diameter/nm Density/109 cm−2 Distance/nm 1 54±15 13.0 − 2 57±20 11.0 − 3 65±24 6.8 56 4 102±44 1.9 127 5 28±16 2.7 164 
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表 2 样品1~5中ZnO纳米柱的NBE 1、NBE 2峰位、斯托克斯位移。（样品1~5的近带边发射峰位为拟合峰）
Table 2. NBE 1, NBE 2 peak positions, and stokes shift of the ZnO nanorods in samples 1~5. The NBE peaks in samples 1~5 were from the fitting peaks.
Samples NBE 1(eV) NBE 2(eV) Stokes shift (meV) 1 3.347 3.252 183 2 3.350 3.263 200 3 3.336 3.227 94 4 3.334 3.221 26 5 3.353 3.236 67
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