010-82930964 
编号：FTJS107511
篇名：硅纳米线密度调控及电极优化制备高性能水伏发电器件
作者：张彬彬
关键词： 金属辅助化学刻蚀法; 硅纳米线阵列; 水伏发电器件; 镀镍聚苯乙烯微球;
机构： 苏州大学
摘要： 充分发展绿色可再生能源对解决能源危机和环境污染问题具有重要意义。近年来,基于水与纳米材料相互作用的水伏发电技术被认为是一种潜在的绿色新能源技术而被广泛研究。在众多用于制备水伏发电器件的活性材料中,硅纳米线阵列因具有大的比表面积和有序的纳米通道等特点,使得基于其制备的水伏发电器件输出性能优异,另外结合硅纳米线阵列制备简单、加工技术成熟以及与硅基光伏器件兼容性好等优点,基于硅纳米线阵列制备的水伏发电器件引起了人们的特别关注。自2020年被首次报道以来,硅纳米线阵列水伏发电器件在性能优化方面的研究取得一定进展。然而,相关方面的研究处于起步阶段,关于硅纳米线阵列结构参数与水伏发电器件性能之间的构效关系、电极材料对器件性能的优化作用等方面的研究还不充分,相关研究的开展有望进一步提高硅纳米线阵列水伏发电器件的性能,推动它们向实际应用迈进。基于上述背景,本论文开展了以下三方面研究: 1.高掺硅纳米线阵列密度调控制备。通过调控金属辅助化学刻蚀法中种子液浓度,实现了高掺硅片上硅纳米线阵列的可控制备。进一步通过控制种子液反应时间,能够调控硅片表面沉积的催化剂银颗粒的尺寸和数量,经过在刻蚀液中的反应后能够获得具有不同密度的硅纳米线阵列。通过MATLAB中图像二值化的方法定量研究了硅纳米线阵列密度与硅片在种子液中反应时间的关系,统计结果表明,随着硅片在种子液中反应时间由20 s递增至220 s,硅纳米线阵列的密度从73.3%逐渐减小至35.5%。不同密度硅纳米线阵列的可控制备,为后续研究硅纳米线阵列密度对水伏发电器件性能的影响奠定了材料基础。 2.硅纳米线阵列密度对水伏发电器件性能的影响。基于硅纳米线阵列水伏发电器件模型,通过利用六组不同密度的硅纳米线阵列制备水伏发电器件,研究了硅纳米线阵列密度对水伏发电器件性能的影响。结果表明,器件的开路电压随硅纳米线阵列密度的减小而逐渐减小,短路电流密度随硅纳米线阵列密度的减小先增大后减小,其中利用种子液中反应60 s的实验参数得到的硅纳米线阵列制备的器件产生了590 m V的开路电压和30μA/cm2的输出电流密度,获得了性能最好的硅纳米线阵列水伏发电器件,为制备高性能硅纳米线阵列水伏发电器件提供了优化的结构参数和实验条件。 3.基于镀镍聚苯乙烯微球电极制备高性能硅纳米线阵列水伏发电器件。镀镍聚苯乙烯微球用作硅纳米线阵列水伏发电器件的上电极,使得器件性能得到明显改善,这是由于镀镍微球能够和硅纳米线顶端形成良好接触并进行有效的电荷收集。通过分别研究镀镍微球的直径和沉积量与器件输出性能之间的构效关系,以获得制备镀镍微球上电极最优化的参数。在此基础上,对比研究镀镍微球使用前后,硅纳米线阵列水伏发电器件的输出特性。结果表明,增加镀镍微球作为上电极前后,器件开路电压由之前的650 m V提高到740 m V,提升了13.8%;器件的短路电流密度从27.2μA/cm2提高到37.5μA/cm2,提升了37.9%;最大输出功率密度能够从8.2μW/cm2提高至12.2μW/cm2,获得了48.8%的提升。另外,在点亮商用红光LED应用中,镀镍微球作为上电极的器件也表现出了更好的驱动能力。此部分研究结果为优化硅纳米线阵列水伏发电器件电极结构获得高输出性能提供了新的思路。
