氧化物半導體核殼異質(zhì)結構在光電化學器件中的應用.pdf

1、對太陽能的利用和開采是解決人類社會面臨的能源和環(huán)境等問題的關鍵。然而，目前世界能源的消耗依然依賴于石油、天然氣、煤炭等傳統(tǒng)能源，其中太陽能的利用只占0.17％。所以對太陽能的進一步開發(fā)和利用需要持續(xù)不斷的探究和突破。本文著眼于對太陽能的光電利用和光化學利用兩個方面，主要依托的器件分別是染料敏化太陽能電池和光電化學分解水制氫器件。
　　在染料敏化太陽能電池中，光陽極一般是吸附了染料分子的二氧化鈦納米晶薄膜，也是染料敏化電池的關鍵。然

2、而，二氧化鈦納米晶存在以下主要問題：第一，二氧化鈦中載流子的遷移率較低，因此不能有效的傳輸光生載流子從而影響器件的效率的提高。第二，二氧化鈦納米晶薄膜中存在大量的晶界，致使界面復合嚴重，進一步制約器件性能的提升。針對上述問題，本論文提出以下研究思路：首先，利用具有較高載流子遷移率的半導體氧化物，例如，氧化鋅、氧化錫替代二氧化鈦作為染料分子的載體。其次，我們在本論文中應用核殼異質(zhì)結結構來解決傳統(tǒng)的納米晶薄膜中載流子分離困難，以及光生載流子

3、復合嚴重等問題。最后，本論文中利用一維納米材料，例如納米線，納米管等作為核材料進一步加速載流子的傳輸。具體研究內(nèi)容如下：
　　（1）我們利用水熱法制備了氧化鋅納米團簇-二氧化鈦核殼結構，并測試了以其作為染料敏化太陽能電池光陽極的電化學性能。實驗表明，氧化鋅納米團簇以其特殊的結構增強了光的吸收。通過在氧化鋅表面包覆一層二氧化鈦，在一定程度上解決了氧化鋅在染料溶液中的不穩(wěn)定性。最終，氧化鋅納米團簇-二氧化鈦核殼結構表現(xiàn)出比商用氧化鋅納

4、米晶優(yōu)異的電化學性能。然而，氧化鋅基染料敏化太陽能電池由于其不穩(wěn)定性，使得其整體的光電轉化效率比較低。
　?。?）我們利用化學穩(wěn)定的氧化錫替代二氧化鈦/氧化鋅作為核材料，并采用電紡絲和液相外延生長的方法制備了氧化錫納米線/納米管-二氧化鈦核殼異質(zhì)結構。在這部分工作中，我們首次利用電紡絲方法得到了氧化錫納米管。并分析研究了成管過程，提出了一種合理的成管機理。通過測試氧化錫納米線/納米管-二氧化鈦核殼結構電極的光電化學性能，由實驗結果

5、可知，氧化錫納米管-二氧化鈦核殼結構電極的光電轉化效率為5.11%，比P25基電極的轉化效率提高了6%。
　　（3）為了進一步提高電極材料的電化學性能，我們改進了電紡絲和液相外延生長的方法，制備了樹枝狀超細氧化錫納米線-二氧化鈦核殼異質(zhì)結構。研究發(fā)現(xiàn)，樹枝狀超細氧化錫納米線-二氧化鈦核殼異質(zhì)結構基的染料敏化太陽能電池效率高達7.06%，比二氧化鈦納米晶P25電極（5.04%）的效率增加了40%。說明通過合理的設計和應用核殼結構，器

6、件的開路電壓，短路電流，填充因子都分別有不同程度的提高，最終器件的光電轉化效率也得到了顯著改善。
　　（4）光電化學分解水制氫也存在類似染料敏化太陽能電池的結構和相似的問題。本論文將氧化錫-二氧化鈦核殼結構應用到光解水制氫中，并利用窄帶隙的硫化鎘作為外層核材料，形成氧化錫-二氧化鈦-硫化鎘多異質(zhì)結的核殼結構。研究表明，這種多異質(zhì)結的核殼結構在對載流子的傳輸和光的吸收雙協(xié)同作用下，顯著增加了光解水制氫的效率。
　　綜上所述，利