光催化聚合反應制備一維納米結構光電轉換薄膜的研究.pdf

1、能源是社會持續(xù)發(fā)展保障。然而，傳統(tǒng)的化石能源越來越無法完全滿足人類的需求;同時，大量消耗化石能源給地球帶來了各種難以估量的環(huán)境污染問題。面對這樣的挑戰(zhàn)，人們開始尋求可以替代的新能源，其中太陽能作為“永不枯竭”且“絕對清潔”的一項新能源，受到了熱烈的追捧和廣泛的研究。這即是研究開發(fā)光伏器件的時代背景。
　　在各類光伏器件中，無機半導體-共軛聚合物雜化的電池材料制備成本低廉、生長能耗低、二次污染小、適合于制造柔性器件，同時有大量無機半

2、導體以及共軛聚合物可供選擇。基于以上優(yōu)點，該電池技術近年來得到了快速的發(fā)展。
　　針對無機半導體-共軛聚合物光伏電池，當光照激發(fā)材料從而得到光生激子之后，經(jīng)歷光生電荷的分離與傳輸?shù)冗^程后，最終將光能轉換成電能，從而實現(xiàn)光電轉換的目的。為了減少光生電荷因復合而導致的能量損失，需要提高分離效率與電荷傳輸?shù)乃俾省牟牧辖嵌瓤紤]，可以予以改善的是復合材料的界面性質。為此，可以采取的措施如下:第一，通過適當?shù)姆椒ㄟM行提高界面的相互作用以及接

3、觸面積，從而提高電荷的分離效率;第二，在復合材料界面建立快速有效的電荷傳輸通道，降低電荷反向傳輸?shù)膸茁?，從而降低電荷的復合并最終提高光電轉換性能。
　　為此，本論文采用光催化聚合的方法制備了一維納米材料結構復合材料并利對復合材料組裝的光電器件的光伏性能進行了研究，同時還研究了復合產物的結構性質。主要的研究內容和取得的結果如下:
　　1.采用TiO2粉體（Degussa，牌號為P25）成功地光催化引發(fā)噻吩的聚合，從而制備了二氧

4、化鈦-聚噻吩（簡記為P25-PTh）納米復合產物，這是采用光催化聚合的方法得到的新型材料。通過旋涂的P25薄膜進行光催化引發(fā)，得到了在可見光區(qū)有明顯吸收的復合物薄膜;通過對SEM、AFM的分析表明，光催化聚合后薄膜表面更加平整，由此證明了該反應為在基底表面的原位聚合。
　　2.應用Raman與XPS等方法研究了P25-PTh納米復合產物的結構。研究結果表明，復合產物中TiO2與PTh之間發(fā)生了強的相互作用，從而導致了S、O元素電子

5、能譜發(fā)生了明顯的變化，這是由于復合產物界面處存在Ti-S等形式的化學鍵導致的。
　　3.合成了ZnO納米一維陣列。以之為模板，采用液相沉積法成功制備了一維TiO2納米陣列。發(fā)現(xiàn)得到的一維TiO2納米陣列為銳鈦礦型，并且得到的陣列為納米管與納米棒的混合體，納米管的形成歸因于TiO2生長過程中伴隨的ZnO酸化溶解過程。
　　4.應用上述一維TiO2納米陣列光催化引發(fā)噻吩聚合，合成了新型的一維TiO2-PTh（簡稱為“1D TiO

6、2-PTh”）復合物薄膜。研究形貌發(fā)現(xiàn)，提高光催化聚合時間，TiO2陣列的孔隙被逐漸填充。我們還測定了復合物薄膜電極的瞬態(tài)光電流，結果顯示當孔隙恰好被填充時，復合物薄膜電極的光電流最大。
　　5.利用所制備的1D TiO2-PTh復合薄膜組裝了光伏電池并分析了該器件的光電轉換性能。結果表明，該器件在紫外區(qū)以及可見光區(qū)均有明顯的光響應。十分重要地，該器件的填充因子較大(＞0.6)，這一結果來源于一維陣列能夠快速轉移電子的特性。

7、>　　為了比較，我們還采用普通旋涂法制備了TiO2一維陣列與聚噻吩復合的光伏器件。比較結果表明，光催化聚合的光伏器件的光電轉換性能是普通旋涂法的2倍，充分說明了光催化聚合方法的技術優(yōu)勢。分析認為，這一性能的提高歸功于光催化聚合產物中強的相互作用以及更高的孔隙填充率。
　　6.采用溶膠-凝膠法在碳納米管表面進行了ZnO的生長，并進一步用光催化聚合的方法引發(fā)了NVK與MA的共聚，從而制備得到了具有三元復合結構的納米復合材料。該復合物由