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无机半导体敏化TiO_2纳米线阵列薄膜的制备与光电性质研究

程林玉  
【摘要】:TiO_2半导体由于其化学稳定性高、光生电子寿命长、霉性低、环境友好等优点而大规模应用于光电材料领域。而具有一维纳米结构的TiO_2,如纳米线、纳米管、纳米带等,相比TiO_2纳米颗粒而言,能够为光生电子提供直接的运输通道,从而能够提高其光电流大小。其中TiO_2纳米线阵列由于其易于合成、制备成本低而受到广泛关注。但由于TiO_2能带隙较宽(3.0~3.2eV),只能被太阳光中的少部分紫外光激发,为了将其对太阳光的吸收范围拓展至可见光区域,研究者们采用了不同的方法,如金属与非金属掺杂或沉积、用能带隙较窄的且导带电压较负的染料和无机半导体敏化等。目前,研究广泛的能带隙较窄的无机半导体敏化剂有金属硫化物、碳量子点、金属卤氧化物、钙钛矿等,采用无机半导体单一敏化或共敏化的方式提高TiO_2对太阳光的吸收范围,其目的是为了提高太阳能电池的光电转换性能。基于以上思想,本论文采用了Ag2S、Bi2S3、碳量子点(CQDs)、 BiOI、PbCrO4作为敏化剂敏化TiO_2纳米线阵列(TiO_2 NRAs),具体研究内容如下:论文第二章首先采用水热法合成了TiO_2 NRAs薄膜,再采用连续离子层吸附反应法(SILAR)制备了Bi2S3/Ag2S/TiO_2复合薄膜,探究了Bi2S3不同SILAR次数、Bi2S3与Ag2S沉积顺序对光电化学性质的影响。研究结果表明:Bi2S3(3)/Ag2S(4)/TiO_2薄膜的光电流响应最强,在可见光区对光的吸收增强,薄膜与电解质问的电荷传递电阻明显减小,短路电流密度最大,为0.456 mA/cm2,约为单独TiO_2 NRAs薄膜短路电流密度的10.3倍。论文第三章首先采用浸渍法制备CQDs/TiO_2薄膜,再采用SILAR法制备Bi2S3/CQDs/TiO_2薄膜,并探究了Bi2S3不同SILAR次数对其光电性能的影响。研究结果表明:Bi2S3(3)/CQDs/TiO_2薄膜的光电流与光电压响应最强,在可见光区对光的吸收增强,薄膜与电解质间的电荷传递电阻明显减小,短路电流密度最大,为0.309 mA/cm2,约为单独TiO_2NRAs薄膜短路电流密度的7倍。论文第四章首先利用SILAR法分别制备出BiOI/TiO_2、PbCrO4/TiO_2薄膜,并探究了BiOI、PbCrO4不同SILAR次数对其光电性能的影响。研究结果表明:当BiOI与PbCrO4连续离子层吸附反应次数均达到8次时,其光电流与光电压响应最强,电极与电解质间电荷传递电阻最小。BiOI(8)/TiO_2与PbCrO4(8)/TiO_2的短路电流密度与单独的TiO_2NRAs相比,分别提高了3倍与2.8倍。


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