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透明光电器件,因其在室温下兼具高透明性和高光电性能而在智能窗口、能源材料及相关领域中得到了广泛的应用。尤其是氧化物构成的透明p-n结器件,其优异的光电转换性能,使该类器件可以广泛地应用于透明太阳能电池、光伏温室等方面。在众多n型氧化物材料中,SnO2材料由于具有资源丰富、透过率高、化学稳定性等优点,成为了应用最为广泛的透明导电氧化物(TCO)之一。然而,迄今为止所报道的p型氧化物的导电性仍远低于n型氧化物,且在确保透明性的前提下如何提高光能利用率仍然是当前难题,上述现状极大地限制了透明光电器件的发展和实际应用。因此,如何提高p型材料的导电性以及透明材料的光能利用率,是制备具有良好光电转换性能的透明p-n结的核心研究。本文选取n型SnO2为基础材料,在确保本征导电性的前提下,通过制备出不同的微观结构(薄膜、纳米线阵列(NAs)、纳米片阵列(NSs))来提高光能利用率,并通过各类修饰,制备出电学性能与SnO2相匹配的p型氧化物(SnO、Cu2O、NiO),从而有效地构筑透明p-n结。在此基础上,进一步通过引入ZnO量子点(ZnO QDs)、N掺杂、Tm掺杂CeO2纳米粒子(Tm:CeO2)等修饰方法来提高p-n结的光电转换性能,具体开展了如下三部分研究:(1)以Zn(CH3COO)2为Zn源,四甲基氢氧化铵(TMAH)为碱性环境,在30℃水浴搅拌下获得ZnO QDs。随后,调控磁控溅射参数获得具有良好导电性和透明性的SnO2薄膜和SnO薄膜,并将ZnO QDs引入到SnO/SnO2 p-n结的界面中,最终获得SnO/ZnO QDs/SnO2 p-n结薄膜。通过XRD、SEM、TEM等表征手段定性表征p-n结的基本结构。以银薄膜为电极,在三电极系统下进行光电转换测试。结果表明,在具有75%透过率的前提下,ZnO QDs的引入使SnO/SnO2 p-n结薄膜的光电转换性能提高了约100倍,其原因主要归因于ZnO QDs可以提供大量的光生电子并构筑有效的光生载流子输运路径。(2)由于SnO存在易被氧化的缺点,因而考虑引入较为稳定的Cu2O为p型材料。此外,柔性也是未来智能器件的发展趋势之一,因此该部分致力于柔性透明光电器件的研究。首先,在聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜(PEN)柔性衬底表面预溅射SnO2种子层,并以SnCl4·5H2O为锡源,通过水热法,得到SnO2 NAs。在此基础上,通过调节N2/Ar流量比,以磁控溅射法可控制备N掺杂Cu2O薄膜,最终成功构筑N掺杂Cu2O/SnO2 NAs p-n结薄膜。光电转换性能测试结果表明,N掺杂Cu2O/SnO2NAs p-n结薄膜在保持80%透过率的条件下,其光电转换性能相较于未掺杂Cu2O/SnO2 p-n结薄膜提高了约1500倍,且展现出了优异的柔性稳定性,在1000次弯折后,光电转换性能仍高达初始值的91%,其原因归因于N掺杂可以提高Cu2O的带隙和导电性,纳米棒阵列可以提供直接的载流子通道和释放界面应力。(3)受限于材料的物理化学稳定性以及工作环境,该部分采用更稳定的NiO为p型材料,并以Tm:CeO2为修饰。其中,以Ce(NO3)3·6H2O为Ce源,Tm(NO3)3·6H2O为掺杂剂,在80℃水浴下可控合成Tm:CeO2。在玻璃衬底上以水热法沉积Sn(OH)2 NSs,经过400℃煅烧,获得SnO2 NSs,随后将Tm:CeO2引入到SnO2 NSs中,进而以磁控溅射法沉积NiO薄膜,有效构筑NiO/Tm:CeO2/SnO2NSsp-n结薄膜。光电转换性能测试表明,在具有85%透过率的情况下,Tm:CeO2的引入使得NiO/SnO2 p-n结薄膜的光电转换性能提高了约9700倍,主要原因归于具有上转换荧光性能的Tm:CeO2扩大了太阳光谱的利用范围和SnO2NSs的微观结构提高了光的利用效率。