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CdS/TiO_2、NiO/TiO_2异质结的高压制备及其光电性能研究

牛佳生  
【摘要】:近年来,随着世界经济的飞速发展,全球工业化进程的不断推进,人们对地球资源的大量消耗,目前摆在人类面前的两大难题:1、能源短缺2、环境污染。随之而来的是酸雨、雾霾、温室效应等自然灾害的频繁发生,因而,寻找绿色环保,可再生的新能源已经成为全人类必须直面的首要问题之一。太阳能因其资源丰富,绿色环保,可循环使用等优点而备受人们的瞩目。太阳能电池是太阳能的重要应用途径之一,因其经济实惠,无噪音,无污染,发展迅速,受到了研究人员的广泛关注。二氧化钛纳米材料因其具有合适的价带、导带位置,化学性能稳定、良好的光活性、低成本、无毒无害等优点,被广泛应用于太阳能光电转换及光催化领域。其中,TiO_2纳米线因为具有很高的比表面积和很好的表面载流子传输速率,受到了科研工作者的喜爱。但由于TiO_2是一种宽带隙的半导体材料,仅能吸收太阳光中的紫外光,而紫外光在太阳光中的占有量不到5%,为了解决这一难题,科研工作者从很多方面对二氧化钛进行了改性研究,如离子掺杂、半导体复合、量子点敏化等。其中量子点敏化是最近的研究热点之一,因为CdS、NiO等半导体和TiO_2之间都存在着很好的能级匹配关系,所以常用来作为光敏剂,来拓宽TiO_2的光吸收范围,提高其光电性能。目前,科研人员常用的量子点敏化方法是连续离子层吸附法,但是由于在化学合成过程中,会受到空间位阻等因素的影响,使样品形成异质结的有效面积有限,大大影响了其光电性能的提高。近几年,随着高温高压技术的不断发展,高温高压在新性能,新结构材料的发现与合成中展现出其独有的优势,比如:合成样品的时间更短,效率更高;可以用来提升物质的质密度,增加阳离子的配位数;可以调制反应物与生成物吉布斯自由能,按预期方向,制备出目标产物等。同时,科研人员还发现随着压力和温度的变化,可以有效地调节样品中原子的间距,进而影响其排布规律的变化,引发样品中电子结构的改变,因而,在压力和温度的双重作用下,对半导体材料而言,它在一定程度上可以使半导体材料的能带间隙发生改变,进而影响其光电性能。基于高温高压技术在材料合成上具有如此多的优势,本论文首次采用高温高压的方法,在高温高压条件下进行CdS/TiO_2、NiO/TiO_2异质结的制备,并对其光电性能进行了研究。本论文主要内容如下:(1)以钛酸四丁酯乙醇溶液和氢氧化钠水溶液为反应物,通过水热法,先制备出白色沉淀(Na_2Ti_3O_7),经稀盐酸反复离心清洗,80℃烘干,600℃退火制备出TiO_2纳米线。对其进行SEM表征,发现其平均直径约为200nm左右。在此基础上,我们采用连续离子层吸附法(SILAR),对TiO_2进行了CdS量子点的敏化,通过FESEM、XRD、TEM等测试手段对CdS/TiO_2进行表征,发现已经成功将CdS复合到了TiO_2上,CdS量子点大约在10nm左右。然后,我们将制备好的CdS/TiO_2纳米线经过冷压成型,组装好放入到国产六面顶压机中,进行高温高压实验。我们分两部分进行研究:第一部分,先研究了在温度T=100℃,时间t=30min时,不同压力下制得的CdS/TiO_2纳米线的光电性能,发现随着压力的增加,CdS/TiO_2的填充因子出现了先增大后减小的现象。在温度T=100℃、时间t=30min、压力为P=3GPa时,样品获得最大的短路电流密度为3.14mA/cm2,最高的光电转换效率为2.13%。第二部分,在上述实验的基础上,我们进一步研究了当压力P=3GPa、t=30min时,不同温度对CdS/TiO_2纳米线光电性能的影响,发现随着温度的增加,CdS/TiO_2的短路电流密度也随之增加,出现了先增大后减小的现象。在T=300℃、时间t=30min、压力为P=3GPa时,样品获得最大的短路电流密度为4.91mA/cm2,最高的光电转换效率为3.51%。(2)以硝酸镍乙醇溶液和草酸乙醇溶液为反应物,通过化学沉积法制备出浅蓝色沉淀,经反复离心处理和400℃退火后,得到NiO纳米晶,通过XRD测试,证明我们制备的样品为纯的(JCPDSNo.47-1049)NiO纳米晶。然后采用(1)中的方法,制备出TiO_2纳米线。将制备好的TiO_2和NiO经过冷压成型后,放入到六面顶压机中进行实验,我们先从样品成型条件入手,探究了温度相同T=100℃,不同压力下制备的NiO/TiO_2样品的成型情况,得到T=100℃,t=30min,P=3GPa为样品的最佳成型条件。我们在此基础上,研究了当压力恒定为P=3GPa、t=30min时,不同温度对NiO/TiO_2异质结光电性能的影响,最后在温度T=200℃时,样品的短路电流密度为0.425mA/cm2,最高的光电转换效率为0.084%。


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1 戚新颖;NiO薄膜和NiO/TiO_2复合薄膜的制备与性能研究[D];中国海洋大学;2015年
2 牛佳生;CdS/TiO_2、NiO/TiO_2异质结的高压制备及其光电性能研究[D];吉林大学;2016年
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