一维铁基半导体薄膜电极的制备及其光电性质的研究

发布时间：2020-04-02 06:51

【摘要】：太阳能电池是太阳能利用中可实现光电转换的一种有效手段,其中具有光电转换性能的半导体材料已成为研究热点。α-Fe_2O_3是一种常见的半导体材料,带隙宽度为2.1 eV,由于其化学稳定性好、成本低、在可见光区可吸收光子等优点成为在太阳能电池中具有潜在应用的半导体材料。尽管α-Fe_2O_3拥有诸多优点,但同时也存在着光生电荷寿命短、电子迁移率较低等缺点,现有报道中的实际光转化效率也比理论效率低的多。为了克服这些问题,构建异质结构和辅助掺杂就成为了解决问题常用的两种方法。BiOI被视为新一代高效、环境友好、可见光响应的半导体光电极材料,化学稳定性高,禁带宽度窄。但单体BiOI中光生电子和空穴在迁移过程中仍然有较大复合几率,大大降低了其光催化效率和光电转换性能。本文利用构筑异质结构和Bi辅助掺杂这两种方式分别制备了Fe_2O_3/BiOI复合光电阳极和微量掺杂Bi的Bi-Fe_2O_3光电阳极,并将其应用在太阳能电池当中。对其形貌、光电转换性能等方面进行表征,研究并探讨出光生电子和空穴产生以及传输的机理。本文主要工作如下:1.采用水热合成法制备了生长于导电玻璃(FTO)基底上的Fe_2O_3纳米棒阵列,通过化学浴沉积(CBD)法成功地将BiOI与Fe_2O_3纳米棒阵列复合在一起,制备了一种新型太阳能电池光阳极。n型半导体Fe_2O_3与p型半导体BiOI复合所形成的n-p异质结构能够有效促进光生电子-空穴对的分离进而提升太阳能电池的光电转换效率,通过控制化学浴沉积的循环次数可实现光电转换效率的最大化。基于Fe_2O_3/BiOI光电阳极的太阳能电池,模拟太阳能电池的效率最高可达0.55%,开路电压和短路电流分别可达到0.41 V和4.89 m A·cm~(-2),FF(%)为33.4。此项研究为发展低成本、环境友好并且可应用在太阳能电池中的光电材料提供了一种可行方法。2.采用水热法在FTO导电玻璃基底上合成了一种Bi微量掺杂的Fe_2O_3纳米棒薄膜电极。通过控制Bi(NO_3)_3·5H_2O的量,可以制备出不同Fe与Bi摩尔比的Bi-Fe_2O_3光电极。所得的Bi-Fe_2O_3光电极与单纯Fe_2O_3光电极相比,纳米结构没有发生变化,但在光电流、光电压等光电性能方面都有明显提升,基于Bi-Fe_2O_3光电阳极制备所得的太阳能电池展现出优秀的光电性能,光电转换效率最高可达0.20%,其中短路电流为2.67 mA·cm~(-2),开路电压为0.30 V,FF(%)为25.0。
【图文】：

示意图,晶体结构,示意图,软模板

BiOX（X=Cl、Br、I）晶体结构示意图

罗丹明,样品,水溶液,多级结构

以 Bi(NO3)3和 KI 为原料，水和乙醇的混合溶液作为溶剂，在常温下制备出一种3D 花状 BiOI 多级结构。当加入 KI 后，产物由微小颗粒（图 1-2（a））逐渐转变为图 1-2（b，c）中各向异性生长的纳米片状。探究其在可见光照射下对甲基橙（MO），亚甲基蓝（MB）和罗丹明 B（RhB）的光催化性能。实验表明所制得的花状 BiOI 对罗丹明 B（RhB）的催化降解效果最好。
【学位授予单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TM914.4

【参考文献】