染料/无机半导体共敏化TiO2纳米管阵列光电性能研究

摘要

电化学阳极氧法合成的TiO2纳米管阵列半导体材料拥有如下优点:表面形貌有序度高、比表面积大和易被吸附。本文选择锐钛矿晶型结构TiO2纳米管阵列的半导体材料做光化学光伏电池的光阳极，由于TiO2的禁带宽度为3.2eV，仅能吸收紫外光部分，光电转化性能方面表现不好，因此考虑在纳米管阵列表面复合无机敏化剂和染料敏化剂来增强光阳极光电性能。
　　In2S3，是Ⅲ-Ⅵ族化合物，在室温下能以β相稳定存在，β-In2S3是一种禁带大约为2eV左右的n型窄带隙半导体材料。采用连续离子层吸附与反应法，在TiO2纳米管阵列半导体材料表面复合纳米颗粒In2S3，拓宽TiO2纳米管阵列半导体材料的光响应范围。纳米颗粒In2S3导带位置高于TiO2纳米管阵列半导体材料，可以更好地将电子注入TiO2纳米管阵列半导体材料中，有效地分离出电子空穴对减缓其复合，光电转换效率方面表现出优良的效果。本文系统地研究了不同浓度前驱体溶液合成纳米颗粒In2S3对纳米管阵列TiO2的影响，获得了0.1M InCl3溶液制备的光伏电池光电转化效率为1.08％。进一步通过染料敏化剂N719和In2S3纳米颗粒共同在TiO2纳米管阵列半导体材料表面复合，获得的结果为光照强度为100 mW/cm2条件下光电性能表现最好，达到短路电流密度和转化率分别为19.18 mA/cm2和8.29％。
　　MoS2在地球中含量丰富，具有石墨烯二维层状结构，还具有石墨烯所不具备的天然半导体带隙，其大小为1.2 eV～1.9 eV。MoS2属于p型窄带隙半导体材料，具体大小由层数决定，可作为TiO2良好敏化剂。本文运用水热法，在TiO2纳米管阵列半导体材料表面复合纳米材料MoS2，获得了光伏电池光电转化效率为1.47％。进一步通过染料敏化剂N719共同敏化TiO2纳米管阵列半导体材料，获得的结果为光照强度为100mW/cm2条件下，短路电流密度和转化率分别为8.76 mA/cm2和2.45％。
　　光伏电池经过两个修饰过程，首先由不同无机化合物敏化，再由染料敏化敏化剂提高其光电性能。两种无机化合物具有不同能级位置的导带，表现出的光电性能也不同，In2S3导带所处的能级高于TiO2位置，导致较少的光生电子与染料或者电解液中的氧化态分子相结合，获得的光电性能比较好;MoS2导带所处的能级低于TiO2位置，导致较多的光生电子与染料或者电解液中的氧化态分子相结合，获得的光电性能不如前者。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 光伏电池

1．2．1 光伏类电池发展与现状

1．2．2 光伏电池的分类

1．2．3 染料敏化光伏电池(DSC)及其评测参数

1．3 染料敏化光伏类电池的阳极材料及染料敏化剂

1．3．1 染料敏化光伏类电池阳极材料

1．3．2 染料敏化剂

1．4 染料敏化光伏类电池共敏化材料

1．5 本实验研究意义及论文内容

第2章 实验药品及测试仪器

2．1 实验过程设备及药品

2．2 测试设备

2．2．1 场发射扫描电镜

2．2．2 X射线能谱仪

2．2．3 表面光电压谱系统

2．2．4 光电性能测试组件

第3章 硫化铟及染料N719共敏化二氧化钛

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 实验用到的化学药品

3．4 实验用到的设备

3．5 实验部分

3．5．1 管状二氧化钛薄膜的合成

3．5．2 硫化铟的复合

3．6 实验结果与讨论

3．6．1 无机敏化DSC光阳极XRD分析

3．6．2 无机敏化DSC光阳极SEM分析

3．6．3 无机敏化DSC光阳极SPS分析

3．6．4 无机敏化DSC光阳极的光电性能分析

3．6．5 染料N719和In2S3共敏化DSC光电性能分析

3．6．6 不同光强的DSC光电性能分析

3．7 本章小结

第4章 硫化钼及染料N719共敏化二氧化钛

4．1 引言

4．2 实验用到的化学药品

4．3 实验用到的设备

4．4 实验部份

4．5 结果与讨论

4．5．1 DSC光阳极XRD分析

4．5．2 DSC光阳极SEM分析

4．5．3 DSC光阳极SPS分析

4．5．4 染料N719和MoS2共敏化DSC光电性能分析

4．6 本章小结

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