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微纳复合材料光生电荷性质及活性研究

张宇  
【摘要】:能源和环境问题是本世纪人类可持续发展所要面对的重要课题之一。解决这些问题的途径之一是太阳能的利用。开发新型的光电功能材料并应用于光电转换体系是将太阳能转换为电能的重要手段。近年来半导体纳米材料、亚微米材料、微米材料的发展使人们开发出有别于传统单晶体块材料的新型光电转换体系,包括染料敏化纳米晶薄膜太阳电池、光催化、光电气体传感器等等。这些光电转换体系通常采用TiO2、ZnO等宽带隙半导体作为其基本构成材料,但是这些宽带隙材料本身并不具有对占太阳光谱主要区域的可见光的吸收能力。因此,通过与窄带隙半导体、有机分子等构筑复合结构是提高其光电活性重要方法。研究光电功能材料中光生电荷性质可以进一步了解其光电转换性能差别的本质、建立光电转换新的评价手段和理论基础,从而引导我们设计合成具有高光电活性的功能材料并构筑高性能光电器件。微纳复合结构中光生电荷的性质受多种因素影响,如异质结构材料中界面处可以产生分离光生电荷的自建电场、材料掺杂可对材料本身能带能级产生影响从而改变光生电荷传输特性、有机材料中的某些功能团也会对光生电荷的分离产生影响。 研究上述所有的光生电荷性质需要适当的研究手段。光生电荷在空间上的分离过程伴随着表面光伏效应。表面光伏技术作为一种无损检测技术能直接给出光生电荷的分离信息,包括由表面态、自建电场下漂移、浓度梯度下扩散等引起的变化。因此,本文工作主要采用表面光伏技术研究材料内部光生电荷的性质,包括基于Kelvin探针和锁相放大器的稳态光伏技术和基于时间分辨示波器的瞬态光伏技术,本论文研究工作主要包括: 1.采用溶剂热反应的方法制备了生长于掺氟二氧化锡(FTO)导电玻璃基底上的高度有序TiO2纳米线阵列并使用扫描电子显微镜对样品的表面及侧面形貌进行了表征。通过基于Kelvin探针和锁相放大器的表面光电压技术,我们研究了与带带跃迁和亚带隙跃迁相关的光生电荷分离行为。瞬态光电压为我们提供了物质内部表面与界面光生电荷分离与传输的动力学信息。实验表明光生电荷在Ti02纳米线阵列内部存在空间电荷区控制的漂移过程、由浓度梯度控制的扩散过程和与表面态相关的跃迁过程,同时通过表面功函的测试给出了TiO2纳米线阵列与FTO界面接触的能带结构,通过这一结构分析了与界面相关的瞬态光伏分离过程。这些实验结果将对于该结构的应用具有指导作用。 2.使用化学浴沉积的方法在一维ZnO纳米线阵列上均匀生长了CdS量子点。使用扫描电子显微镜、透射电镜、X射线衍射分析并证实了该结构。利用表面光伏技术包括稳态和瞬态光伏研究了异质薄膜在可见光区的光生电荷分离和复合过程。通过控制生长CdS量子点的包覆量,我们发现薄膜的表面光伏特征发生了明显的变化。基于该异质薄膜制备了量子点敏化太阳电池,在100mW cm-2的光强照射下,该系列电池的短路电流范围为0.8-2.6 mAcm-2开路电压为0.35-0.44 V。太阳电池的最高转换效率为0.34%。最后详细讨论了太阳电池的性能和其光伏特征的关系。 3.采用稳态和瞬态表面光伏技术以及表面光电流技术对ZnO微球、ZnO/Ag2S核壳异质结构微球、Ag2S空心微球的光电性质进行了比较系统的研究。与其它两种单质结构相比,ZnO/Ag2S核壳异质结构微球在可见光区展现了最优异的光电性质。通过瞬态光伏测试结果揭示了材料内部光生电荷的分离过程。基于这一优异的光电性质制备了可见光激发的光电气体传感器。实验结果表明该气体传感器对乙醇气体具有良好的响应。这些结果将有助于室温下工作的半导体光电气体传感器的实际应用。 4.通过向反应体系引入微量硝酸锌的方法成功制备了一些列Zn掺杂的TiO2微球型颗粒。使用扫描电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱对样品的结构和形貌进行了表征。锁相光伏技术和瞬态光伏技术的测试表明微量的Zn掺杂可以促进光生电荷的分离并且抑制复合,这是因为Zn掺杂TiO2与FTO形成了界面自建电场并且降低了表面态密度。与未经Zn掺杂的TiO2相比,基于Zn掺杂TiO2的染料敏化太阳电池的性能得到大幅的提升。当Zn/Ti摩尔比为0.5%时,微球大小均一,并且获得了最佳的转换效率。最后详细讨论了基于该材料的太阳电池性能参数与其光电性质的关系。 5.使用基于Kelvin探针和锁相放大器的稳态光伏技术和基于时间分辨示波器的瞬态光伏技术研究了一系列新型的单分散树枝状齐聚咔唑C60的光生电荷性质。三种光伏测试均证明随咔唑树突代数的增加样品的导电类型逐渐由n型特性变为p型特性。该系列化合物中C60是分子中受光激发产生光生电荷的部分。通过进一步分析瞬态光伏和表面功函的测试结果证明了化合物的n型特性是与C60相关的光生电荷分离过程,而p型特性是源自光生空穴在咔唑树突中的扩散作用。


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