一維單晶TiO2納米陣列的可控制備及其在太陽能電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、一維有序單晶TiO2納米陣列作為一種重要的無機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu),因其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性以及便于電子傳輸?shù)膸缀翁卣鞯葍?yōu)勢(shì),不僅在光催化、光致變色、光伏電池等領(lǐng)域成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),而且在鋰電池、傳感器以及微納電子器件等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。尤其是直接生長在導(dǎo)電襯底上的無支撐自立的一維有序單晶TiO2納米陣列由于直接和收集電極連在一起,有利于提高注入電子的收集效率,可在多種光電器件中應(yīng)用并提高器件的性能。另一方面,在導(dǎo)電基底上直接生長一

2、維有序單晶 TiO2納米陣列結(jié)構(gòu),還為制作光電器件提供了便利。但是,由于TiO2的晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和ZnO差別很大,使得定向生長有序單晶TiO2納米陣列電極比較困難。本文用一種簡單的水熱合成方法直接在FTO導(dǎo)電玻璃上制備不同長度的一維有序單晶TiO2納米陣列薄膜,并探討了所制備的一維TiO2納米陣列在幾種不同太陽能電池器件中的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容包括：
　　⑴在水熱反應(yīng)條件和較低的反應(yīng)溫度下,制備直接生長在FTO導(dǎo)電玻璃上的一維有序

3、單晶金紅石相 TiO2納米線(棒)陣列。通過控制水熱反應(yīng)的時(shí)間和水熱反應(yīng)循環(huán)的次數(shù),制備不同直徑和長度的一維有序單晶TiO2納米陣列。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知, FTO導(dǎo)電基底和四方結(jié)構(gòu)金紅石相TiO2之間的晶格匹配關(guān)系是促使TiO2沿[001]方向垂直于FTO基底趨向生長的重要原因。對(duì)一維有序單晶TiO2納米陣列的生長過程和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論,并研究了在酸性刻蝕條件下TiO2納米線(棒)陣列向TiO2納米管的轉(zhuǎn)變過程。

4、　　⑵將所制備的不同結(jié)構(gòu)的一維有序單晶TiO2納米陣列應(yīng)用在染料敏化太陽能電池的光陽極中,研究了不同形貌結(jié)構(gòu)的TiO2納米線陣列對(duì)染料敏化太陽能電池性能的影響。在納米線長度為2μm,直徑為90 nm時(shí),所制得的染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高,此時(shí)電池的開路電壓為0.65V,短路電流密度為5.75mA/cm2,填充因子為53％,光電轉(zhuǎn)換效率為2%。通過染料的解吸附實(shí)驗(yàn),分析了染料吸附量,透光率等因素和染料敏化太陽能電池性能的關(guān)系。這

5、為我們進(jìn)一步制備高質(zhì)量的TiO2納米陣列結(jié)構(gòu)指明了方向。
　　⑶在量子點(diǎn)敏化太陽能電池中,與TiO2納米顆粒薄膜相比,一維有序TiO2納米陣列結(jié)構(gòu)更有利于量子點(diǎn)在光陽極表面的吸附和電解液的填充。我們將所制得的一維TiO2納米陣列薄膜應(yīng)用在量子點(diǎn)敏化太陽能電池中,利用連續(xù)離子層吸附和反應(yīng)的方法在TiO2納米陣列表面沉積CuInS2量子點(diǎn),研究了不同量子點(diǎn)吸附層數(shù)對(duì)電池光電性能的影響。在優(yōu)化吸附層數(shù)和加入緩沖層條件下,CuInS2量子

6、點(diǎn)敏化TiO2納米陣列太陽能電池的開路電壓為0.56V,短路電流密度為4.51mA/cm2,填充因子為41%,光電轉(zhuǎn)換效率為1.06%。展示了比CuInS2量子點(diǎn)敏化TiO2納米顆粒薄膜更高的能量轉(zhuǎn)換效率,證明了一維有序單晶TiO2納米陣列優(yōu)異的電荷傳輸性能。
　?、仍谀z體量子點(diǎn)光伏器件中,一維有序單晶TiO2納米陣列可以用來作為電子接受電極;利用一維有序單晶TiO2納米陣列除了可以為光生電子-空穴對(duì)提供必需的分離界面外,還可以為

7、分離后的載流子提供傳輸?shù)绞占姌O的直接通道,從而提高激子的分離和收集效率。我們把合成的一維有序單晶TiO2納米陣列應(yīng)用在膠體量子點(diǎn)太陽能電池中,利用量子點(diǎn)原位合成和薄膜沉積技術(shù),構(gòu)筑耗盡體相異質(zhì)結(jié)構(gòu)的CuInS2膠體量子點(diǎn)太陽能電池。研究了基于一維TiO2納米陣列的體相異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑方法及其光電性能,詳細(xì)考察了一維有序單晶TiO2納米陣列電極對(duì)耗盡體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜光電性能的影響,對(duì)納米尺度范圍內(nèi)表界面間光生電荷的分離、傳輸過程和機(jī)理