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一种新型多孔二氧化钛(P-TiO_2)及其改性后的光伏特性研究

李洪彬  
【摘要】: 太阳能是一种可再生的资源,具有清洁、环保且含量巨大等优点。无论是在通过光电转换技术来替代传统化石能源上,还是应用于光催化或者是一些光敏电子器件上,太阳能都具有非常巨大的潜力。虽然光能利用的现象已经十分的常见,且太阳能电池和光催化也已经有了商业上的用途,然而光被材料吸收后,人们在研究光生电荷的传输机制上一直都没有形成完整的结论。因此,如果能够探明材料内光生电荷的传输方式,甚至能够人工调控材料内部的光生电荷的传输方向,那么将对光能的利用,尤其是光催化反应都具有重要的意义。 本文对一种具有无序孔道结构的新型棒状TiO_2 (P-TiO_2)材料进行了表面光电压谱(SPS)和场诱导表面光电压谱(FISPS)研究,并与纳米TiO_2材料P25进行了比较。发现当没有外加诱导电场的时候,在370-520 nm的入射光范围内,P-TiO_2表现出了非同一般的表面态光电压响应强度,这是其制备过程所产生的十分丰富的表面态所造成的结果。当施加+0.5 V外加诱导电场的时候,由于表面态能级所能接受的光生电子跃迁数量达到饱和,没有表现出与带-带跃迁相似的光电响应强度。而施加-0.5 V的外加诱导电场时,大量表面态能级对跃迁的光生电子产生了很好的“定域效应”,使得光生电荷的寿命大大延长。 然后,我们对P-TiO_2进行了不同比例(2%,5%)的Fe3+离子掺杂,再对其进行光伏特性的研究。Fe3+的掺杂在P-TiO_2的体相内部产生了许多杂质能级,同时也提供了大量的复合中心。这都会使P-TiO_2表面态所能定域的电子减少,从而减弱相应的的光伏响应,且随掺杂比例的增高而更加明显。Fe-P-TiO_2在外加诱导电场下的变化与P-TiO_2相似,2%Fe-P-TiO_2只是表面态光伏响应减弱。而对于5%Fe-P-TiO_2由于掺杂比例较高,杂质能级中被捕获的自由电子的去捕获现象也增多,并在浓度梯度效应和负向诱导电场的共同作用下,使得“自建电场”方向发生反转。 此外,我们还研究了P-TiO_2被酞菁铜(PcCu)敏化后的光生电荷行为。发现酞菁铜的离域电子与P-TiO_2中具有“定域作用”的表面态会产生相互作用,从而导致P-TiO_2的表面态“失活”,使得表面态跃迁的光伏响应消失。当入射光波长为410 nm时,由于体相能级跃迁消失和染料激发电子向半导体注入,导致敏化的P-TiO_2的带弯反转,相应的410 nm后的光生电荷分离传输方向与410 nm前的完全相反。外加诱导电场的研究表明,当施加+0.5 V外加诱导电场时,强度增大的“自建电场”可以有效地分离体相能级跃迁以及染料注入的光生电荷,从而产生较强的光伏响应,体现了很好的敏化效果。当施加-0.5 V外加诱导电场时,由于“自建电场”的强度被大大削弱,染料的激发电子向材料表面累积而使得材料的耗尽层极易转变为累积层,“自建电场”的方向也随之发生改变。


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