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锡酸锌纳米颗粒及其复合体系的表面光电性能研究

刘献省  
【摘要】: 材料是社会进步的物质基础,特别是复合材料,更显示出它们的优于单一材料的特性。开发和探索新型复合材料是太阳能电池研究领域的焦点。 金属氧化物纳米颗粒TiO_2作为一种重要光电材料,易得、造价低廉、性能稳定等优点。TiO_2纳米材料由于在太阳能电池、光催化、气敏传感器等方面有着潜在的应用前景而倍受关注,特别是从1998年日本的Kasuga小组首次采用水热法处理TiO_2纳米颗粒,获得了新型的管状纳米结构材料以来,该方面的研究日益受到人们的重视。但是,因为TiO_2带隙较大(3.2 eV),其只对紫外光敏感,并且易受到光蚀,寿命较短,因此新型的光电材料的开发已经成为广大光电研究人员的焦点。在染料敏化太阳能电池中,Zn_2SnO_4(带隙3.6 eV)的光生电子寿命大于TiO_2,并且较大电导率,但只对紫外光敏感;另外α-Fe_2O_3和α-Bi_2O_3的带隙较小(2.2和2.8 eV),对可见光敏感,有较好光电特性,也同样受到人们关注:与Zn_2SnO_4复合后可能克服各自的弱点,并会产生新的协同效应,出现更好的光电特性。 本文主要利用表面光电压谱仪做了以下三方面的内容: 在第二章中,我们首先用水热法、高温固相法和低温固相法制备锡酸锌纳米颗粒,并用X射线衍射(XRD)、Raman散射、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL)和表面光电压谱(SPS)等工具进行了表征形貌和性能。Zn_2SnO_4在紫外区有一定的表面光电压响应。 在第三章中,将Zn_2SnO_4放入制备好的氧化铁胶体中,再用溶胶凝胶法得到α-Fe_2O_3/Zn_2SnO_4复合体。并用XRD、Raman散射等工具进行了表征。结果表明该复合体是Zn_2SnO_4和α-Fe_2O_3的有机复合,不是简单的混合。我们用表面光电压(SPS)、场诱导表面光电压(FISPS)、紫外-可见(UV-vis)吸收等工具研究了α-Fe_2O_3/Zn_2SnO_4复合体的光电性能。结果表明,α-Fe_2O_3/Zn_2SnO_4复合体在UV-vis光区有很好的光伏响应,相对于单一体系的光伏响应范围有一定程度的拓宽,并且响应强度也有很大增强。在外电场的作用下,α-Fe_2O_3/Zn_2SnO_4复合体的表面光电压随正电场的增强而增强,随负电场的增强而减弱。而用Zn_2SnO_4和α-Fe_2O_3粉末颗粒直接简单混合的表面光电压与此不同,主要表现在复合材料的表面光电压强度是纯Zn_2SnO_4和α-Fe_2O_3的表面光电压的简单叠加。我们用能级匹配和良好的颗粒接触导致的协同效应对这一现象作了解释。 在第四章中,我们用水热法制备了α-Bi_2O_3/Zn_2SnO_4(Bi:Zn = 4:1)复合体,并研究了其光电性能。在波长为425-550 nm的范围内,可以看到一个很明显的光伏响应带,和复合物的显著吸收一致,而不同于纯的α-Bi_2O_3和Zn_2SnO_4。复合物的电场诱导的表面光电压谱表明,其在整个吸收带内都有很强的光电响应。这些现象归因于生成少量的界面相Bi2Sn2O7和三种成分有很好的接触、能级匹配。这些界面相是由Bi~(3+)进入到Zn_2SnO_4晶格中取代了Zn~(2+)而形成的,它们也是复合物的光致发光谱中观察到黄绿光发射的原因。


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