Sb2S3/TiO2纳米管阵列异质结的制备及光电性能研究

摘要

绿色低碳环保是人们追求的生活方式，清洁能源的开发势在必行，太阳能在清洁能源中脱颖而出。氧化钛(TiO2)无毒、稳定、价格便宜。纳米技术的发展推动了纳米结构TiO2尤其是TiO2纳米管阵列在光解水制氢、光催化和太阳能电池等领域的应用。但TiO2的带隙宽度(3.2 eV)决定了它只能吸收太阳光谱中的紫外光。因此，为了提高光的利用率，通常对TiO2纳米管阵列进行改性，与窄带隙的无机半导体复合是一种有效的改性手段。
　　Sb2S3是一种直接带隙半导体，具有大的吸光系数(1.8×105 cm-1)和合适的光学带隙(1.7 eV)，呈现出高的光敏感性和热电性能，是理想的光敏化剂。
　　CuI是一种宽带隙p型无机半导体(3.1 eV)，具有高的空穴迁移率，在固态太阳能电池、发光二极管、场效应晶体管等器件中展现出了极大的应用前景。本课题以Sb2S3对TiO2纳米管阵列异质结的改性展开，主要内容包含以下几个方面:
　　1.利用水热法成功制备了Sb2S3/TiO2纳米管阵列异质结，水热过程中用三种不同的前驱体溶液体系来控制Sb2S3的尺寸及负载量。
　　(1)以SbCl3(HCl)水溶液和Na2S·9H2O水溶液为前驱体，制各的Sb2S3纳米颗粒尺寸约为11-15 nm，得到的Sb2S3/TiO2纳米管阵列异质结的Jsc为1.42 mA/cm2，光电转换效率η为0.40％;
　　(2)以SbCl3水溶液和Na2S2O3·5H2O水溶液为前驱体，实验过程中通过改变反应时间和前驱体溶液的浓度两种措施来调控Sb2S3的尺寸及负载量。首先，以0.8 M的SbCl3水溶液和1.6 M的Na2S2O3·5H2O水溶液为前驱体，改变水热反应时间(8h、16h、24h)的过程，当反应时间为16h时获得的Sb2S3(16h)/TiO2纳米管阵列异质结的最大短路电流Jsc高达4.10 mA/cm2，开路电压Vac达到了0.90 V，光电转换效率η达到2.82％。其次，改变前驱体溶液的浓度(SbCl3水溶液的浓度分别为1 mM、8 mM和16 mM，对应的Na2S2O3·5H2O水溶液的浓度分别是2mM、16 mM和32 mM)，当SbCl3水溶液的浓度为8 mM，Na2S2O3·5H2O水溶液浓度为16 mM时，得到的Sb2 S3(8mM)/TiO2纳米管阵列异质结的短路电流Jsc高达2.32 mA/cm2，开路电压Vac达到了0.84 V，光电转换效率η达到0.64％。
　　(3)以SbCl3乙醇溶液和Na2S·9H2O水溶液为前驱体:Sb2S3纳米颗粒平均尺寸在15 nm和22 nm之间，Sb2S3/TiO2纳米管阵列异质结的短路电流Jsc为1.92 mA/cm2，光电转换效率η达到了0.66％。
　　2.在水热法制备的Sb2S3/TiO2纳米管阵列异质结中引入空穴传输材料CuI，光生载流子的分离效率得到显著提高，短路电流Jsc由原来Sb2S3/TiO2纳米管阵列异质结的1.92 mA/cm2提高到3.51 mA/cm2，光电转换效率η从原来的0.66％提高到0.95％。并借助紫外-可见光吸收谱、表面光电压谱和光致发光谱分析了CuI对Sb2S3/TiO2纳米管阵列异质结的影响及光生载流子的迁移机制，发现CuI在Sb2S3/TiO2纳米管阵列异质结中不仅传输着空穴同时还起着阻挡电子的作用，另外，在紫外光区还起着吸收光的作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池

1．2．1 太阳能电池的分类

1．2．2 敏化太阳能电池

1．3 氧化钛

1．3．1 氧化钛晶体结构

1．3．2 氧化钛纳米管阵列

1．3．3 氧化钛纳米管的改性

1．4 Sb2S3敏化太阳能电池

1．4．1 Sb2S3的合成方法

1．4．2 Sb2S3敏化太阳能电池的电解质

1．4．3 Sb2S3敏化太阳能电池的电荷传输

1．4．4 Sb2S3敏化太阳能电池的性能提升措施

1．5 本文的选题思路及主要研究内容

第2章 实验方法及表征手段

2．1 实验方法

2．1．1 阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列

2．1．2 水热法制备Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结

2．1．3 CuI沉积方法

2．2 表征手段

2．2．1 X射线衍射仪

2．2．2 扫描电子显微镜

2．2．3 紫外-可见光分光光度计

2．2．4 光致发光谱

2．2．5 表面光电压谱

2．2．6 光电化学性能

第3章 水热法制备Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结

3．1 引言

3．2 Na2S·9H2O为硫源制备Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结

3．2．1 实验部分

3．2．2 结果讨论

3．2．3 结论

3．3 Na2S2O3·5H2O为硫源制备Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结

3．3．1 水热反应时间控制下的Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结

3．3．2 前驱体溶液浓度控制下的Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结

3．3．3 结论

第4章 CuI对Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 TiO2纳米管阵列的制备

4．2．2 水热法制备Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结

4．2．3 CuI的沉积

4．3 结果讨论

4．3．1 CuI／Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结的晶体结构

4．3．2 CuI／Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结的形貌

4．3．3 CuI／Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结的光吸收、表面光伏和光致发光

4．3．4 CuI／Sb2S3／TiO2纳米管阵列异质结的光电化学性能

4．4 结论

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果