CdS和CdSe在TiO2薄膜表面的可控沉積及光電性能研究.pdf

1、作為太陽(yáng)電池光陽(yáng)極的半導(dǎo)體材料TiO2由于帶隙寬、量子效率低而限制了其實(shí)際應(yīng)用。本文制備了ITO/TiO2多孔納米晶薄膜，然后以ITO/TiO2多孔納米晶薄膜為基底，利用陰極恒電位沉積法，分別沉積窄帶隙半導(dǎo)體CdS和CdSe，制備出ITO/TiO2/CdS和ITO/TiO2/CdSe納米半導(dǎo)體復(fù)合薄膜，并研究了不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)半導(dǎo)體復(fù)合薄膜中沉積物粒子的平均粒徑、組成及薄膜表面形貌的影響，同時(shí)將以上各半導(dǎo)體復(fù)合薄膜制備成太陽(yáng)電池的光陽(yáng)極，

2、考察了各半導(dǎo)體復(fù)合薄膜電極的光電性能。
　　研究中分別以TiO2溶膠、TiO2納米粒子、TiO2溶膠與TiO2納米粒子混合的分散體系為前軀體，利用浸漬-提拉技術(shù)或涂敷技術(shù)制備了TiO2溶膠膜、TiO2粒子膜和TiO2溶膠-粒子膜三類薄膜。通過XRD和Raman光譜確定了所制備TiO2的晶相結(jié)構(gòu)，利用SEM和AFM觀察了TiO2薄膜的表面形貌，計(jì)算了TiO2粒子尺寸，通過氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)表征了TiO2溶膠-粒子薄膜的孔道結(jié)構(gòu)及薄膜

3、的比表面積，并使用紫外吸收光譜及光電性能測(cè)試手段分析了各類TiO2薄膜的光吸收特征及光電化學(xué)性能。結(jié)果表明，TiO2溶膠-粒子薄膜是一類多孔納米晶薄膜，由銳鈦礦相的TiO2粒子構(gòu)成，TiO2粒子的平均粒徑約10nm，且粒子分布均勻，薄膜表面具有較高的粗糙度，比表面積為1232gm，薄膜中較豐富的孔道結(jié)構(gòu)，增加了光生載流子的分離效率，該1類薄膜對(duì)紫外光有較強(qiáng)的吸收，其光電化學(xué)性能明顯好于TiO2溶膠膜和TiO2粒子膜。
　　采用陰極

4、恒電位沉積方法，以ITO/TiO2多孔納米晶薄膜為基底，在含有CdCl2和Na2S3O2的酸性混合水溶液中沉積CdS，制備了ITO/TiO2/CdS納米半導(dǎo)體復(fù)合薄膜，并利用XRD和XPS表征了沉積物CdS的晶相結(jié)構(gòu)與組成，通過SEM觀察薄膜的表面形貌、粒子尺寸及膜厚。根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及前人研究工作討論了CdS的電沉積過程與機(jī)理。實(shí)驗(yàn)中，也研究了沉積電位、沉積時(shí)間、電解液的組成、實(shí)驗(yàn)溫度等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)CdS平均粒徑及ITO/TiO2/Cd

5、S納米半導(dǎo)體復(fù)合薄膜表面形貌的影響。研究結(jié)果表明，在ITO/TiO2表面沉積的CdS粒子具有六方結(jié)構(gòu)為主的混合晶相結(jié)構(gòu)，球形粒子均勻沉積于ITO/TiO2多孔納米晶薄膜的內(nèi)部及表面。在40℃、-1.00V、沉積20min條件下制備的ITO/TiO2/CdS薄膜形成菜花狀的表面形貌，CdS粒子的平均粒徑約8～10nm，沉積層厚度約為1.885μm，薄膜中鎘硫元素的原子比接近1:1。通過控制實(shí)驗(yàn)的沉積電位由-0.80V負(fù)移至-1.40V，C

6、dS粒子的平均粒徑由15.0nm減小至6.2nm，薄膜中硫鎘元素的原子含量也由硫富集變?yōu)殒k富集，且薄膜厚度增加。沉積時(shí)間為5min的薄膜中CdS的平均粒徑約5nm，形成網(wǎng)絡(luò)狀的表面形貌，薄膜厚度約為1.40μA。
　　實(shí)驗(yàn)中，還利用光電流-電勢(shì)曲線與光電流作用譜考察了ITO/TiO2/CdS半導(dǎo)體復(fù)合薄膜電極的光電化學(xué)性能及實(shí)驗(yàn)條件的改變對(duì)薄膜電極光電性能的影響。借助于表面光電壓譜和瞬態(tài)光電流譜探討了ITO/TiO2/CdS薄膜電

7、極中電荷傳輸過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，窄帶隙半導(dǎo)體CdS與寬帶隙半導(dǎo)體TiO2的復(fù)合有效地促進(jìn)了光電子與空穴的分離，增大了薄膜電極的光電流，改善了ITO/TiO2薄膜電極初始光電流響應(yīng)，ITO/TiO2/CdS半導(dǎo)體復(fù)合薄膜電極的光電響應(yīng)拓寬至500nm的可見光區(qū)，在400nm單色光照射下半導(dǎo)體復(fù)合薄膜電極具有約45％的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　此外，實(shí)驗(yàn)中還利用了陰極恒電位沉積法將窄帶隙半導(dǎo)體CdSe沉積于ITO/TiO2多孔納米晶薄膜中。

8、通過XRD、SEM等測(cè)試手段表征了沉積物CdSe的晶相結(jié)構(gòu)與粒子尺寸、分析了所制備的ITO/TiO2/CdSe的組成及表面形貌。討論了在不同沉積電位下CdSe的沉積機(jī)理。利用紫外-可見吸收光譜、表面光電壓譜、電流-電勢(shì)曲線及瞬態(tài)光電流譜等考察了ITO/TiO2/CdSe薄膜的光電性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，窄帶隙半導(dǎo)體CdSe納米粒子以球體較均勻地分布形成較致密、平整的表面形貌，粒子的粒徑分布較寬，控制CdSe沉積電位不同時(shí)CdSe的沉積按不同