氧化物半導(dǎo)體核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光電化學(xué)器件中的應(yīng)用.pdf

1、對(duì)太陽能的利用和開采是解決人類社會(huì)面臨的能源和環(huán)境等問題的關(guān)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(duì)太陽能的進(jìn)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(duì)太陽能的光電利用和光化學(xué)利用兩個(gè)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(xué)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(guān)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(fù)合嚴(yán)重，進(jìn)一步制約器件性能的提升。針對(duì)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(dǎo)體氧化物，例如，氧化鋅、氧化錫替代二氧化鈦?zhàn)鳛槿玖戏肿拥妮d體。其次，我們?cè)诒菊撐闹袘?yīng)用核殼異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)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(fù)合嚴(yán)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(jìn)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(tuán)簇-二氧化鈦核殼結(jié)構(gòu)，并測(cè)試了以其作為染料敏化太陽能電池光陽極的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明，氧化鋅納米團(tuán)簇以其特殊的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)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(tuán)簇-二氧化鈦核殼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出比商用氧化鋅納

4、米晶優(yōu)異的電化學(xué)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(zhuǎn)化效率比較低。
　?。?）我們利用化學(xué)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(jié)構(gòu)。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(jī)理。通過測(cè)試氧化錫納米線/納米管-二氧化鈦核殼結(jié)構(gòu)電極的光電化學(xué)性能，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5、可知，氧化錫納米管-二氧化鈦核殼結(jié)構(gòu)電極的光電轉(zhuǎn)化效率為5.11%，比P25基電極的轉(zhuǎn)化效率提高了6%。
　?。?）為了進(jìn)一步提高電極材料的電化學(xué)性能，我們改進(jìn)了電紡絲和液相外延生長的方法，制備了樹枝狀超細(xì)氧化錫納米線-二氧化鈦核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，樹枝狀超細(xì)氧化錫納米線-二氧化鈦核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)基的染料敏化太陽能電池效率高達(dá)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(shè)計(jì)和應(yīng)用核殼結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)化效率也得到了顯著改善。
　　（4）光電化學(xué)分解水制氫也存在類似染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)和相似的問題。本論文將氧化錫-二氧化鈦核殼結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)的核殼結(jié)構(gòu)。研究表明，這種多異質(zhì)結(jié)的核殼結(jié)構(gòu)在對(duì)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