关于薄膜材料和金属纳米颗粒在光解水太阳能电池中的应用

摘要

随着现代工业化的快速发展，人们对能源的需求越来越高，而传统化石燃料的大量燃烧，会释放出大量有害气体，对环境造成严重污染。因此，环境污染与能源危机成为二十一世纪人类面临和亟待解决的两个重大问题。为改善这些问题，寻找可再生的清洁能源刻不容缓。太阳能是地球上最丰富的可再生能源，取之不尽，但不易储存。
　　利用太阳光分解水制氢，可将太阳能转化成化学能存储在氢键中，且这种易生产清洁能源氢能的技术已受到了许多研究者的关注。在本论文中，我们主要研究了光解水太阳能电池，以不同的纳米技术方法制备并分析光电阳极和光电阴极，并探究其性能。首先，我们进行了对光电阳极材料在光解水太阳能电池中的研究。金属催化剂可用于增强光电极的活性，所得到的电流密度达至mA·cm-2，但光电阳极的寿命仍然存在问题。
　　在本论文的第一部分，我们将不同厚度的Ni薄膜（2nm,5nm和10nm）包覆到n型硅片的表面作为光解水光电阳极，测试它们在不同pH的碱性溶液中的光电化学活性及稳定性。并在纳米及原子尺寸上详细地分析了在光驱动的析氧反应下Ni/SiOX/n-Si光电阳极的衰减机制。在强碱溶液（pH=14）中，衰减机制与Ni的厚度极其相关。而在pH为9.5的溶液中，Li+对电池的稳定性具有重要的作用，但随着测试时间，样品表面形成的沉积层却能导致电池寿命结束。值得注意的是，在该工作中，我们是第一次使用能量损失能谱研究光解水太阳能电池，也证明了利用传统仪器（如光电子能谱）研究光解水太阳能电池可能会忽略某些重要的信息。该工作的研究对了解光水解太阳能电池的衰减机制和提高产率提供了有用的见解。
　　在第二部分，我们研究了由金属纳米颗粒包覆在n型3C-SiC上的光电阴极材料。我们使用化学稳定性较强的n型3C-SiC作为保护层和发射极包覆在p型硅片表面，并以不同的制备方法将贵金属纳米颗粒Au或Pt沉积在SiC表面，以增强电池的活性。结果表明，在适当条件下沉积的金属纳米颗粒，其催化作用可使样品的起始电压明显降低；而其等离子体共振效应会使样品的光电流增大。而且在光学和微观结构上对纳米颗粒的研究对所观察到的效应提供了见解。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光解水太阳能电池的原理

1.3 光解水太阳能电池的研究进展

1.3.1 半导体材料的选择

1.3.2 薄膜材料在光水解太阳能电池中的进展

1.3.3 金属纳米颗粒在光水解太阳能电池中的进展

1.4 本课题的研究意义和内容

参考文献

第二章 光解水太阳能电池中薄膜材料包覆的光电阳极

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料试剂及实验设备

2.2.2电极制备

2.2.3 光电化学表征

2.2.3 样品表征

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 Ni/SiOX/n-Si/Ti光电阳极在pH为14溶液中的性能测试

2.3.2 2 nm Ni/SiOX/n-Si/Ti光电阳极在pH为9.5溶液中的性能测试

2.4 本章小结

参考文献

第三章 光解水太阳能电池中金属纳米颗粒包覆的光电阴极

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料试剂及实验设备

3.2.2电极制备

3.2.3 光电化学表征

3.2.4样品表征

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

总结与展望

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢