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碘化氧铋BiOI纳米片状阵列的合成及其应用研究

王克伟  
【摘要】:1973年的石油危机出现后,世界各国开始认识到化石能源的短缺问题。几年后,一些国家如美国、日本、德国等,开始探索可替代的新能源和新技术。由于太阳能技术的能量来源是太阳,储量丰富,而且不会造成任何污染,因此得到人们普遍关注。但是,由于目前使用的硅基太阳能电池板成本比较高,导致太阳能在整个能源消费中占的比例很低。而基于Ti02的染料敏化太阳能电池则为人们提供了一个低成本转换太阳能的方案。在染料敏化太阳能电池的研究基础上,人们又开发了一系列新的太刚能电池材料和电池组装技术。 1985年碘化氧铋BiOI被发现具有光伏效应。为了增强这种光伏效应,人们用染料如罗丹明B敏化的方法来增加光吸收,或者采用先生成Bi膜然后电化学氧化的方法得到更致密的BiOI,以此来加快BiOI的光生电子传递。但是目前报道的BiOI太刚能电池的光电流普遍只有几十个微安,这种极低的效率大大限制了它的实际应用。最近,我们报道了一种将BiOI纳米片和壳聚糖混合在一起,涂抹到ITO玻璃上的制备方法。然而这种BiOI-壳聚糖太阳能电池的光电性能并不理想,原因在于壳聚糖的导电性比较差,不利于光生电子的传递。为了解决这个问题,我们考虑寻找一种在基底上直接生长BiOI的方法,这样电荷能直接从BiOI上传导到基底,电池就具有更高的光电效率。 连续离子层吸附与反应(SILAR)是一种制备薄膜的技术,它是化学浴沉积法的改进形式。这种制备技术的原理非常简单,只需要将基底材料依次浸入不同溶液中进行循环反应。通过控制循环反应的次数,人们就可以精确地控制膜厚,从而制备出从纳米级到微米级的薄膜。这种技术通常是在常温常压的条件下进行,而且需要的前驱体溶液较少,条件温和,对敏感基底的影响也小,因此非常适合在各种不同形状和材质的基底材料上制备薄膜。 本文主要介绍了能源问题和太阳能电池研究的意义,研究了用SILAR法合成交叉状的BiOI纳米片阵列的新技术。我们在不同基底(如FTO玻璃、柔性ITO/PET薄膜)上制备了BiOI薄膜,并通过不同方法表征了薄膜电极的形貌。我们将这些薄膜电极组装成太阳能电池进行测试,结果表明在这些基底上薄膜电极均表现出良好的光电性能。同时,我们将该薄膜电极和生物传感器结合起来制备了光电生物传感器,这种新型的传感器具有很好的灵敏度和检测限。 1、我们采用了SILAR法在有TiO2阻挡层的FTO玻璃基底上直接生长了交叉状的BiOI纳米片阵列。我们将BiOI/FTO电极组装成太阳能电池进行测试,结果表明15次循环反应的电极具有最大的光电流,电流密度JSC达到了241μA cm-2,开路电压VOC达到0.62 V,填充因子FF为0.61,电池效率η为0.092%,光电效率IPCE最高为4%。 2、我们采用了SILAR法在柔性ITO/PET基底上直接生长了交义状的BiOI纳米片阵列。我们将BiOI/ITO/PET电极组装成太阳能电池进行测试,结果表明室温下30次循环反应的电极具有最大的光电流,电流密度JSC达到了529μA cm-2,开路电压VOC达到0.55 V,填充因子FF为0.55,电池效率η为0.132%,光电效率IPCE最高为6.5%。柔性BiOI/ITO/PET电极与之前报道的BiOI/FTO电极相比光电流有明显提升,而且在没有Ti02阻挡层的情况下,填充因子也超过了0.5。这是由于BiOI纳米片层的厚度大幅增加,电解液和导电基底很难直接接触,不会造成短路,所以电池性能得到了提高。 3、我们用BiOI/FTO电极吸附辣根过氧化物酶HRP,制得HRP/BiOI/FTO电极。该电极表现出很好的生物活性,说明电极的交叉状纳米片层对HRP酶亲合性好,固载的酶不会失活。我们通过对H202底物进行检测,结果表明HRP/BiOI/FTO电极能在一定范围内对H2O2浓度有线性关系的电流响应,而且检测电流达到了微安级,说明电极的检测灵敏度很高。。 4、我们选用了水合肼还原石墨氧化物的方法来制备石墨烯纸。通过比较,将滤纸吸附石墨氧化物,然后用水合肼还原的方法制得的石墨烯纸的导电性能最好,电阻率在9-23 kΩ之间。和文献报道的石墨烯纸相比,我们的制备方法较为简单,且无需高温处理。我们采用SILAR方法,在所得的石墨烯纸上负载了BiOI纳米片层,制备了柔性BiOI/graphene/filter paper电极,该电极具有一定的光电性能。


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