氧化锌基半导体异质结构薄膜电极的制备及其光电性质研究
发布时间：2020-10-13 05:51
半导体光电材料利用太阳能进行光催化及光电转换,被广泛认为是一种有前途的利用可再生资源的方法。半导体光电材料对光的吸收,光生电荷的迁移、分离和复合影响着太阳能转化成化学能以及电能的转换效率。在传统半导体材料中,ZnO因具有化学性质稳定、来源丰富、成本低、良好光电特性、很强的光捕获能力和良好的光生空穴溢出能力成为了研究最多的半导体光电材料之一。然而,ZnO带隙宽(3.37 eV),主要吸收紫外光,未能将可见光行之有效的利用,这制约着光电转换效率的提高。所以,寻找窄带隙半导体修饰ZnO构成复合体系,可以对可见光有效利用,有益于光电转换性能的提高。本文设计合成了ZnO/CuO和ZnO/Ag_3CuS_2复合光电极,利用光电流测试及光伏技术,平带电位,循环伏安(CV),微分脉冲伏安(DPV)测试研究了所得样品的光电和光催化性能。讨论了光生电子的传输机理,主要研究工作为:1.以氟掺杂的二氧化锡(FTO)导电玻璃为基底,水热合成法制得了ZnO纳米棒阵列(NRs),进而经过电化学沉积法并经过退火后,制备了ZnO/CuO光电化学(PEC)电池结构单元。CuO作为一种p型窄禁带敏化剂,可以使n型ZnO响应可见光,并通过建立p-n异质结构来加强光生电荷载流子的分离。通过模拟太阳光(AM 1.5)和单一ZnO、CuO薄膜的比较,详细研究了ZnO/CuO的光电转化和光催化甲醛氧化反应。此外,依据平带电位,通过理论分析,得到了p-n非均匀界面的能级图。2.水热法制备了ZnO NRs,之后经过离子交换过程得到ZnO/Ag_3CuS_2纳米复合物,利用扫描电镜、XRD、紫外可见光漫反射光谱等手段对样品形貌表征。通过电化学测试,可知将三元半导体Ag_3CuS_2与ZnO复合后,光电流有所提高,证明ZnO/Ag_3CuS_2拥有良好的光电转换性能。
【学位单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O646.54;TB383.2
【部分图文】：
图 1-1 半导体复合材料内部电子转移示意图[1]由至少两种不同成分相互接触而形成的纳米异质结构材料，会出现明显的质界面[2]。由于上述结构成分的各异性质，在这个异质界面能够形成自建电场，电子与空穴按一定的方向移动，加强光生电子的产生、迁移，有益于电荷分，降低重组率，光电转换效率得到改善。电子跃迁、再结合受到异质面组分化学性质，晶格失配的影响，因此决定着纳米异质结构材料光电性能的优良[3-5]。为了尽可能利用具有此结构材料的光电性能，我们可以根据实际需要对质结构半导体材料进行设计，例如结构、形貌晶体结构、晶格尺寸、组成成等，从而达到提高半导体微纳复合光电材料的光电转换率的目的，拓展应用域。3 半导体微纳复合光电材料的应用) 太阳能电池在过去研究最多的是晶体硅太阳电池，但由于这类电池的缺陷，如纯度要
ZnO 或 TiO2促进光电子有效分离。839 年，Becquerel 在电解液中用发光金属的电极进行实验时发现了光伏起了光电化学在各个领域研究的热潮，为以后光电化学电池奠定了基础验室于1954年制得的单晶硅太阳能电池转化率经过改善以后从4.5%达开启了新的光伏时代[17]。瑞士化学家 Gr tzel 小组在 1991 年发表了关s 的报道了，以效率高、工艺简便的染料敏化的 TiO2薄膜作光电极的电池孔性，所以比一般半导体的比表面积多，染料吸附将会更多，光吸收，最终电池效率提高到了 7.9%，对电极用的是铂电极，参与氧化还原液为光敏化剂[18]。子点（QDs）它具有独特的优势，例如表面效应，量子尺寸以及限域效大大提高了此类太阳电池光电转换率。由于量子尺寸效应的原因，能O2、ZnO 等宽带隙纳米半导体与量子点在接触界面处形成了异质结构，电荷与空穴分离效率增加，如图 1-2 所示，是太阳电池被量子点敏化工[19]。
且纳米ZnO制备方法简单，成本低，引起广泛的研究。2006年，Fujihara等人报道了ZnO/N-719在模拟太阳光下的光电转换效率高达4.1%，这一实验结果为之前的理论工作提供了支持，证明了ZnO优秀的光电化学性能，如图1-3[21]。图 1-3 （a）ZnO/N719 光电阳极在 100 mW/cm2和 14mW/cm2测试的 I-V 曲线图，（b）电池的作用光谱和 ZnO/N719 光电阳极的吸收光谱[21]
【参考文献】
本文编号：2838813
【学位单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O646.54;TB383.2
【部分图文】：
图 1-1 半导体复合材料内部电子转移示意图[1]由至少两种不同成分相互接触而形成的纳米异质结构材料，会出现明显的质界面[2]。由于上述结构成分的各异性质，在这个异质界面能够形成自建电场，电子与空穴按一定的方向移动，加强光生电子的产生、迁移，有益于电荷分，降低重组率，光电转换效率得到改善。电子跃迁、再结合受到异质面组分化学性质，晶格失配的影响，因此决定着纳米异质结构材料光电性能的优良[3-5]。为了尽可能利用具有此结构材料的光电性能，我们可以根据实际需要对质结构半导体材料进行设计，例如结构、形貌晶体结构、晶格尺寸、组成成等，从而达到提高半导体微纳复合光电材料的光电转换率的目的，拓展应用域。3 半导体微纳复合光电材料的应用) 太阳能电池在过去研究最多的是晶体硅太阳电池，但由于这类电池的缺陷，如纯度要
ZnO 或 TiO2促进光电子有效分离。839 年，Becquerel 在电解液中用发光金属的电极进行实验时发现了光伏起了光电化学在各个领域研究的热潮，为以后光电化学电池奠定了基础验室于1954年制得的单晶硅太阳能电池转化率经过改善以后从4.5%达开启了新的光伏时代[17]。瑞士化学家 Gr tzel 小组在 1991 年发表了关s 的报道了，以效率高、工艺简便的染料敏化的 TiO2薄膜作光电极的电池孔性，所以比一般半导体的比表面积多，染料吸附将会更多，光吸收，最终电池效率提高到了 7.9%，对电极用的是铂电极，参与氧化还原液为光敏化剂[18]。子点（QDs）它具有独特的优势，例如表面效应，量子尺寸以及限域效大大提高了此类太阳电池光电转换率。由于量子尺寸效应的原因，能O2、ZnO 等宽带隙纳米半导体与量子点在接触界面处形成了异质结构，电荷与空穴分离效率增加，如图 1-2 所示，是太阳电池被量子点敏化工[19]。
且纳米ZnO制备方法简单，成本低，引起广泛的研究。2006年，Fujihara等人报道了ZnO/N-719在模拟太阳光下的光电转换效率高达4.1%，这一实验结果为之前的理论工作提供了支持，证明了ZnO优秀的光电化学性能，如图1-3[21]。图 1-3 （a）ZnO/N719 光电阳极在 100 mW/cm2和 14mW/cm2测试的 I-V 曲线图，（b）电池的作用光谱和 ZnO/N719 光电阳极的吸收光谱[21]
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 郝荣;蒋保江;李明霞;谢颖;付宏刚;;混晶相梭形TiO_2的构筑及其光催化分解水制氢性能研究（英文）[J];Science China Materials;2015年05期
2 李本侠;王媛媛;王艳芬;;CuO纳米结构阵列的简易合成及其光催化性质(英文)[J];物理化学学报;2009年11期
本文编号：2838813
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