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《吉林大学》 2013年 博士论文
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Ⅱ-Ⅵ族半导体/二氧化锡纳米结构复合薄膜的制备及其应用性能研究

周晓明  
【摘要】:半导体金属氧化物由于具有良好的光学、电学特性被广泛的应用在太阳能电池和光催化研究领域。在众多半导体金属氧化物中,二氧化锡(SnO_2)作为一种廉价、环保并具有良好光电性能和化学稳定性的半导体材料,在光电子器件中有着广泛的应用。SnO_2的禁带宽度约为3.6eV,相比于TiO_2其导带位置更正,更有利于窄禁带半导体光生电子的注入,能够和较窄带隙的半导体材料复合形成异质结。同时,SnO_2具有较高的电子迁移率(100-200cm~2V~(-1)S~(-1)),能够将注入的光生电子更快的传导到收集电极。纳米材料的物理和化学性质与其形貌和结构有着密切的关系,不同制备方法制备出的纳米材料差异很大,寻找到简单、经济的制备方法对于纳米材料的进一步应用有着重要的意义。研究表明一维结构的纳米棒与纳米粒子相比有着更为优越的电子传输性能,可以有效的降低光生载流子的复合几率。而具有多孔结构且由一维单晶纳米结构自组装而成的亚微尺寸颗粒薄膜不仅具有大的比表面积,薄膜内部对光的散射能力也很强。本论文以SnO_2薄膜的制备为主线,对其与Ⅱ-Ⅵ族半导体构成的复合薄膜进行了光电化学和光催化性能的研究,主要工作如下: (1)以氯化亚锡和氯化锌为原料,采用热蒸发方法在600℃的空气氛围条件下,制备出高透明性的SnO_2纳米棒阵列薄膜。考察了氯化锌的用量和升温速率对SnO_2薄膜形貌和结构的影响,发现ZnCl_2对SnO_2纳米棒阵列的形成起到关键的生长导向和分隔纳米棒的作用。当升温速率为15℃/min、原料中ZnCl_2和SnCl_2·2H_2O的质量分别为0.15:0.15g时所制备薄膜的晶体结构和形貌最好,为透明性的SnO_2纳米棒阵列薄膜。论文对透明性SnO_2纳米棒阵列薄膜的生长机制进行了详细的讨论。 (2)通过化学水浴沉积法在透明SnO_2纳米棒阵列上复合了CdS薄膜,对形成的CdS/SnO_2纳米棒阵列复合薄膜的光电化学性质进行了研究。发现经过CdCl_2热处理的CdS/SnO_2纳米棒阵列复合薄膜具有较高的短路电流密度,约为1.19mA/cm~2,其相应的开路电压和光电转换效率分别为-0.71V和0.29%。CdS薄膜经过CdCl_2热处理以后,薄膜的结晶度显著提高,有效降低了薄膜中的缺陷态密度,从而提高了CdS/SnO_2纳米棒阵列复合薄膜的光电性能。 (3)首次采用水热合成方法在FTO基底表面直接制备出了SnO_2球状颗粒薄膜,薄膜中的球状颗粒是由大量纳米棒自组装而成的,直径在500nm-2μm范围。通过SILAR过程分别制备出CdS量子点敏化的SnO_2球状颗粒薄膜电极和CdSe/CdS量子点共敏化的SnO_2球状颗粒薄膜电极,对这些电极的光吸收特性和光电化学性能进行了详细的研究。研究发现随着CdS沉积循环次数的增加,CdS量子点敏化的SnO_2电极的光吸收性能得到了明显的改善;光电化学性能呈现先增加后减小的规律。当CdS沉积循环次数为5次时,薄膜的短路电流密度和光电转换效率达到最大值,分别为1.47mA/cm~2和0.22%。CdSe量子点对CdS(5)/SnO_2电极的敏化进一步拓展了样品的光吸收范围,使吸收覆盖了可见光的大部分范围。当CdSe沉积到4个循环时,CdSe(4c)/CdS(5c)量子点共敏化的SnO_2球状颗粒薄膜电极的短路电流密度和光电转换效率达到最大值,分别为2.41mA/cm~2和0.34%。其光电性能明显优于单独CdS量子点敏化的SnO_2球状颗粒薄膜。 (4)首次采用水热合成方法在FTO基底上直接制备出SnO_2延伸状八面体颗粒薄膜。通过SILAR过程将CdS量子点沉积到SnO_2延伸状八面体颗粒薄膜上,对所制备的CdS(n)/SnO_2复合薄膜的光电性能和光催化降解性能进行了研究。研究发现随着CdS沉积循环次数的增加CdS(n)/SnO_2薄膜的光电化学性能和光催化降解活性都得到了明显的改善。当CdS沉积循环次数增加到6次时,样品的短路电流密度和光电转换效率达到最大值,分别为0.6mA/cm~2和0.192%。样品CdS(6c)/SnO_2在可见光照射下,经过140min甲基橙(MO)被完全降解,且样品展现出较好的稳定性和光响应特性。文中对CdS/SnO_2复合薄膜的光催化机理进行了详细的阐述。


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