TiO2納米管陣列膜的CdX(X=S,Se)修飾及在光生陰極保護(hù)和太陽(yáng)能電池中的光電行為研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)是一種重要的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體功能材料,已被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。但由于TiO2禁帶寬度較寬(3.2 eV),僅能被能量較高的紫外光激發(fā),且光生電子-空穴對(duì)快速?gòu)?fù)合,導(dǎo)致其對(duì)太陽(yáng)光的利用效率較低。通過(guò)在ZiO2表面復(fù)合窄禁帶半導(dǎo)體材料,利用半導(dǎo)體能級(jí)的交疊,可有效地?cái)U(kuò)展光響應(yīng)范圍,同時(shí)抑制光生電子一空穴對(duì)的復(fù)合,提高量子產(chǎn)率。
　　 本論文首先在鈦金屬表面制備高度有序的TiO2納米管陣列,并以此為基底沉積窄禁帶

2、的半導(dǎo)體材料(Cds、CdSe),制備CdX(X=S,Se)@TiOz復(fù)合光陽(yáng)極。利用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X-射線電子能譜、紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)等對(duì)制得的復(fù)合光陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)、組成、光吸收性能等進(jìn)行表征,還考察了復(fù)合光陽(yáng)極的光生陰極保護(hù)性能和在太陽(yáng)能電池中的光電特性。主要研究成果如下:
　　 采用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法,在Ti基底表面制備陣列排布的TiO2納米管。通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)納米管的口徑及管長(zhǎng)的控制,具有極好

3、的重現(xiàn)性。實(shí)驗(yàn)表明,將Ti基底置于含NH4F的乙二醇中性電解液中陽(yáng)極氧化,經(jīng)反應(yīng)3 h可制得厚度約為22μm的TiO2納米管陣列膜。利用TiCl4對(duì)所制得的TiO2電極進(jìn)行表面處理,光電流譜測(cè)試表明,處理過(guò)的光陽(yáng)極表現(xiàn)出更為優(yōu)異的光電化學(xué)性能。
　　 在HF體系中制得管長(zhǎng)約為450 nm的TiO2納米管陣列,并采用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法(SILAR),在TiO2納米管表面均勻沉積ZnS／CdS薄膜,制得ZnS／CdS@TiO2復(fù)合

4、光陽(yáng)極。實(shí)驗(yàn)表明,復(fù)合窄禁帶半導(dǎo)體CdS,能有效地?cái)U(kuò)展光陽(yáng)極的光吸收范圍至可見(jiàn)光區(qū),同時(shí)顯著提高光電流響應(yīng)強(qiáng)度；此外,在CdS@TiO2復(fù)合電極表面包覆ZnS殼層,可明顯地改善其光穩(wěn)定性。將所制得的ZnS／CdS@TiO2復(fù)合光陽(yáng)極與置于0.5 M NaCl溶液中的403不銹鋼(403SS)電極進(jìn)行偶聯(lián),電化學(xué)測(cè)試表明,在光照條件下,光生電子可使403SS電極電位明顯負(fù)移,實(shí)現(xiàn)高效率光生陰極保護(hù)。
　　 在含NH4F的乙二醇電解

5、液中陽(yáng)極氧化獲得長(zhǎng)度約為22μm的ZiO2納米管陣列膜,采用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法(SILAR)在TiO2納米管表面沉積少量的CdS量子點(diǎn),并以此為晶核,低溫下化學(xué)沉積CdSe薄膜,制得CdSe／CdS敏化的TiO2納米管陣列膜。將一系列復(fù)合光陽(yáng)極組裝太陽(yáng)能電池,測(cè)試結(jié)果表明,反應(yīng)30 h制得的樣品的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.20％。此外,將TiO2納米管置于密閉的容器中進(jìn)行熱處理,由于納米管內(nèi)殘留的極少量氟離子具有誘導(dǎo)納米管轉(zhuǎn)化為納米顆粒的作