二氧化鈦一維復(fù)合結(jié)構(gòu)的合成及其光電性能研究.pdf

1、太陽(yáng)能電池是一種能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿挠行Ъ夹g(shù)途徑,發(fā)展太陽(yáng)能電池技術(shù)對(duì)解決世界能源危機(jī)和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)具有非常重要的作用。目前太陽(yáng)能電池的主要種類有:硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池和染料敏化太陽(yáng)能電池。其中,染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)由于成本低廉、組裝簡(jiǎn)易等特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。就染料敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀而言,二氧化鈦納米晶半導(dǎo)體光陽(yáng)極的性能嚴(yán)重制約著電池的光電轉(zhuǎn)換效率。作為光陽(yáng)極的重要組成部分,二氧化鈦材料的形貌和結(jié)構(gòu)決定了光

2、陽(yáng)極的電子傳輸動(dòng)力學(xué)性能。因此,合成新型納米二氧化鈦光陽(yáng)極材料,研究其電子傳輸動(dòng)力學(xué)特征,并通過(guò)材料微觀形貌的控制,以期優(yōu)化光陽(yáng)極的電子傳輸動(dòng)力學(xué)性能,從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
　　 本論文選取了三種不同形貌(納米晶、納米棒和納米管)的質(zhì)子鈦酸鹽納米材料作為研究材料的起始物,對(duì)隨后合成的二氧化鈦結(jié)構(gòu)、形貌及其光電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示,質(zhì)子鈦酸鹽納米粒子隨著燒結(jié)溫度的升高,其物相經(jīng)歷了從TiO2(B)到銳鈦礦相的變

3、化,且晶粒尺寸不斷增大,其中500℃燒結(jié)制備出的納米晶粒具有最好的光電性能。對(duì)于大尺寸納米棒而言(直徑約100nm左右、長(zhǎng)度為微米級(jí)),隨著燒結(jié)溫度的升高,質(zhì)子鈦酸鹽物相也從TiO2(B)相逐漸變?yōu)殇J鈦礦相,但轉(zhuǎn)變溫度明顯升高,且納米棒在高溫?zé)Y(jié)后斷裂現(xiàn)象明顯,其中700℃燒結(jié)得到的大尺寸納米棒具有良好的光電性能。在納米管的研究中,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子鈦酸鹽納米管隨著燒結(jié)溫度的升高,除物相由TiO2-B相變?yōu)殇J鈦礦相外,其形貌也發(fā)生了顯著的變化,即

4、從納米管轉(zhuǎn)變成實(shí)心的小尺寸納米棒,并隨著溫度的升高進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的納米晶粒。光電性能測(cè)試顯示,600℃燒結(jié)得到的納米材料的光電性能最優(yōu)。
　　 采用強(qiáng)度調(diào)制光電流譜和強(qiáng)度調(diào)制光電壓譜研究了上述不同形貌二氧化鈦的電子傳輸動(dòng)力學(xué)特征。研究結(jié)果表明:對(duì)于二氧化鈦納米晶而言,由于其本身結(jié)構(gòu)的局限性和大量的結(jié)構(gòu)缺陷,使得在光陽(yáng)極膜內(nèi)晶粒間的電子傳輸時(shí)間長(zhǎng)、電子壽命短,導(dǎo)致光生電子復(fù)合機(jī)率大。大尺寸二氧化鈦納米棒具有一維柱狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有利

5、于電子的快速傳遞,顯示出電子傳輸速率快、電子壽命長(zhǎng)和光生電子復(fù)合率低的優(yōu)勢(shì)。由于不同燒結(jié)溫度導(dǎo)致了納米管的相結(jié)構(gòu)和形貌發(fā)生了顯著變化,其相應(yīng)產(chǎn)物的電子傳輸過(guò)程呈現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特征。其中,在300℃和400℃燒結(jié)時(shí)得到的納米管具有TiO2(B)結(jié)構(gòu)和較多的結(jié)構(gòu)缺陷,因此導(dǎo)致其具有電子傳輸時(shí)間長(zhǎng)、電子壽命短和光生電子復(fù)合嚴(yán)重的特征。而在500℃和600℃燒結(jié)時(shí),質(zhì)子鈦酸鹽納米管轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^小的二氧化鈦納米棒,其電子傳輸速率快,電子壽命可達(dá)

6、106 ms。以上研究結(jié)果表明:具有棒狀形貌的二氧化鈦納米材料具有良好的電子傳輸性能,為后續(xù)的復(fù)合材料構(gòu)筑及其光電性能研究提供了良好的研究基礎(chǔ)。
　　 在以上研究基礎(chǔ)上,本論文優(yōu)化設(shè)計(jì)并制備出具有一維結(jié)構(gòu)的二氧化鈦復(fù)合材料,即將納米晶均勻負(fù)載在大尺寸納米棒表面,構(gòu)筑了具有一種雙功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。研究結(jié)果表明:該一維復(fù)合材料可將納米晶的高比表面特征和大尺寸納米棒優(yōu)良的電子傳輸性能有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。其中,表面負(fù)載的二氧化鈦納米晶不僅

7、顯著地提高了復(fù)合材料的比表面積,也降低了界面電荷轉(zhuǎn)移電阻。同時(shí),由于二氧化鈦納米棒的存在,電子在復(fù)合材料中傳輸時(shí)具有快速傳輸?shù)膭?dòng)力學(xué)特征。這使得該復(fù)合材料的光電轉(zhuǎn)換效率較單一納米棒的轉(zhuǎn)換效率提高了五倍之多。
　　 為進(jìn)一步提高復(fù)合材料的比表面,本論文還以二氧化鈦納米管為前驅(qū)體制備了小尺寸、高比表面的納米棒,并進(jìn)一步構(gòu)筑了納米晶/納米棒復(fù)合材料。研究結(jié)果表明,該復(fù)合材料秉承了一維納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),不僅具有良好的電子傳輸特性,