石墨烯—氧化钨复合薄膜的制备及其光电化学特性研究

摘要

太阳能的光电转换利用是解决目前较为普遍的能源匮乏及环境污染问题的一条重要途径，因而研究和开发具有光电转换能力的半导体材料是太阳能高效利用的关键。在众多的半导体材料中，氧化钨因性能稳定、成本低廉等优点成为目前最具应用前景的光电转换材料之一，但其光生电子-空穴易复合限制了器件的光电性能。基于此，本研究在导电玻璃基底上负载石墨烯—氧化钨复合薄膜，并以该复合薄膜为底层制备兼具电子快速传输和长光程的双层结构薄膜。从而利用石墨烯良好的电子传输性能对氧化钨进行改性，有效地抑制光生电子-空穴复合，提高氧化钨基材料的光电转化性能。论文主要内容如下:
　　首先采用水溶性高聚物作为桥联剂，通过浸渍提拉法制备还原氧化石墨烯(RGO)—氧化钨复合薄膜(G-WNC)。薄膜组成均匀，氧化钨颗粒为20 nm左右。对于厚度为3.5μm左右的薄膜，复合薄膜光电流为0.96 mA/cm2（1.20 V vs.Ag/AgCl），是氧化钨薄膜(WNC)的2.13倍。对含有不同浓度的氧化石墨烯(GO)的前驱体而言，薄膜光电流随前驱体中GO浓度的变化而变化，当GO浓度为0.960mg/mL时光电流提升效果最明显，其光电流为纯氧化钨薄膜的2.07倍。
　　其次，采用瞬态光电流法和强度调制光电流法研究了薄膜电极光电作用下界面上的电荷转移过程和电荷的传输。研究发现，复合RGO后，光生电子的传输速率获得提高，减小了电子的传输时间，为氧化钨薄膜的47.5％;同时电子的快速传输抑制了电子—空穴的复合，延长了电子—空穴对寿命。
　　在上述研究基础上，为进一步提高薄膜器件的光程和电子传输能力，采用浸渍提拉和水热法制备双层结构薄膜。底层氧化钨复合RGO后，在电位为1.20 V(vs.Ag/AgCl)时，双层结构薄膜的光电流提升了53.8％;外加1.00 V偏压和355 nm波长照射时，入射光子光电转换效率(IPCE)从31.33％提升到39.52％。通过紫外—可见漫反射与IPCE联合分析可知，RGO在复合物中的主要作用是抑制电子—空穴复合，促进电子传输。最后，以双层结构薄膜为光阳极，N719为染料组装染料敏化太阳能电池，复合RGO后，电池效率为0.067％，相对纯氧化钨双层结构薄膜提升了60％。

目录

声明

摘要

文中常见缩写的全称

1 绪论

1．1 引言

1．2 WO3材料的基本性质、结构

1．2．1 WO3的基本性质

1．2．2 WO3的晶体结构

1．3 影响纳米WO3光电转换的主要因素及提升性能途径

1．3．1 维度与形貌调控

1．3．2 贵金属负载

1．3．3 离子掺杂

1．3．4 表面敏化

1．3．5 半导体复合

1．4 石墨烯／金属氧化物半导体复合物的制备方法

1．4．1 光辅助还原法

1．4．2 电沉积法

1．4．3 水热／溶剂热法

1．4．4 水解法

1．4．5 其它方法

1．5 本课题的选题背景及研究内容

2 实验与测试方法

2．1 仪器和设备

2．2 实验试剂

2．3 导电基底预处理

2．4 薄膜制备及电池组装

2．4．1 石墨烯制备

2．4．2 复合薄膜的制备

2．4．3 双层结构薄膜的制备

2．4．4 染料敏化太阳能电池的组装

2．5 薄膜结构表征及性能测试

2．5．1 粉末X-射线衍射分析(XRD)

2．5．2 热重-差示扫描量热分析(TG-DTA)

2．5．3 紫外-可见吸收光谱测试

2．5．4 傅立叶变换红外光谱(FTIR)测试

2．5．5 拉曼光谱(Raman)测试

2．5．6 扫描电子显微镜表征

2．5．7 透射电镜表征

2．5．8 光电化学性质测试

3 GO及RGO-WO3薄膜的制备及光电化学性能研究

3．1 引言

3．2 氧化石墨烯的制备及相关表征

3．2．1 氧化石墨烯的制备

3．2．2 氧化石墨烯的相关测试

3．3 RGO-WO3薄膜的制备

3．3．1 复合材料制备的原理

3．3．2 复合材料的制备方法

3．3．3 复合材料表征

3．3．4 复合材料的光电性能测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 薄膜的物相和形貌表征

3．4．2 分子振动光谱测试

3．4．3 薄膜的光电化学性能分析

3．4．4 薄膜厚度对光电性能的影响

3．4．5 复合薄膜中RGO的含量对薄膜光电性能的影响

3．4．6 电极稳定性测试

3．5 界面电荷转移动力学过程研究

3．6 本章小结

4 RGO-WO3基双层结构薄膜的制备及光电性质研究

4．1 引言

4．2 薄膜的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 物相与结构分析

4．3．2 光吸收性能

4．3．3 薄膜的光电化学性质

4．4 双层结构薄膜在染料敏化太阳能电池中的应用

4．4．1 电池的组装

4．4．2 电池的光电性能测试

4．5 本章小结

5 结论

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢