关于薄膜材料在光解水太阳能电池和新型存储器上的应用

发布时间：2020-10-29 09:46

　　 由于传统化石燃料的过度使用,在全世界范围内已经导致了很严重的大气污染问题,影响着数以亿计的人民。所有的有害空气污染物中,直径小于等于2.5微米的细小颗粒(PM_(2.5))对人类健康最具危害,因为他们可以侵入最小的气管而进入肺部。由于整个世界都正在遭受很严重的空气污染问题,因此寻找可再生的新能源材料和其他器件是一项很紧急的任务。在本论文中,我将介绍我们最近在研发新一代太阳能电池和存储器件上所作出的努力,即光解水太阳能电池和阻变式存储器(RRAM)的器件中,我们采用了超薄薄膜材料包覆的高效样品。在我们的工作中:1)我们先研究了从大气污染中收集的PM_(2.5)颗粒的形貌、纳米力学性质和化学成分。我们首次将PM_(2.5)颗粒在纳米尺寸上的力学和化学性质结合起来研究。通过对超过500个PM_(2.5)颗粒的表征,我们的研究显示蓬松的煤烟聚集物富含碳元素,比较粗糙和不稳定,它们会变形,并且比较黏。而且,这些煤烟聚集物可以聚集所有其他的颗粒,使它们收集了所有可能的化学成分,和增加了它们的尺寸,导致了更高的毒性和对肺部的威胁。2)在通过对PM_(2.5)纳米颗粒的研究以后,我们认为通过光解水太阳能电池将太阳能转化为可存储和可运输的氢能对于整个社会而言,是非常紧急的。在我们的工作中,我们主要集中于光解水器件中析氧反应发生的光电阳极材料的研究。超薄(≤15 nm)铜通过磁控溅射被沉积在n型硅上,生成了Cu/Si O_2/n Si光电阳极。然后,这种光电阳极被放在碱性条件下被进行了光电化学处理,生成了Cu O/Cu/Si O_2/n Si光电阳极。所生成的Cu O/Cu薄层在这里起到三个作用:i)防止n型硅被腐蚀的保护层;ii)为高效载流子分离和迁移做准备的p型空穴的传导层;iii)减小水析氧反应的起始电压中超电势的催化剂。这种Cu O/Cu薄膜材料价格低,毒性小,并且性能好,能够为修饰太阳能电池中不稳定的材料提供一种很具吸引力的方法。3)阻变开关(RS)是发生于RRAM的薄绝缘层中的一种局部现象,它发生于大约100 nm2的局部面积中,因此使用高分辨率的表征工具来观察这种现象是很有必要的。在我们的工作中,我们将常规的导电原子力显微镜(CAFM)和半导体参数分析仪(SPA)连接在一起,在可以调控的环境下使用。通过这种升级版的CAFM,我们探索了导致RS的根本原因。高分辨表征的实验结果显示,RRAM中RS现象是由一种导电细丝(CF)引起的,这种导电细丝通常在多晶样品表面的晶界(GB)处形成。在这项工作中,我们首次将薄绝缘层的力学和电学性质结合在一起研究了基于CF的RS。我们的研究表明,可修复的CF通常只发生在GB处或者其周边的位置,这些位置都是机械强度较弱的地方。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TM914.4;TB383.2
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 本课题的研究背景
    1.2 光解水太阳能电池
        1.2.1 光解水太阳能电池的原理
    1.3 阻变式存取存储器
        1.3.1 阻变式存储器的原理及超薄电解质材料的作用
    1.4 本课题的研究意义和内容
    参考文献
2.5颗粒的纳米表征'>第二章 针对大气污染物PM_2.5颗粒的纳米表征
    2.1 引言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验仪器及材料试剂
2.5 颗粒的采集'>        2.2.2 PM_2.5 颗粒的采集
2.5 颗粒的转移'>        2.2.3 PM_2.5 颗粒的转移
2.5颗粒进行纳米表征的工具'>        2.2.4 对PM_2.5颗粒进行纳米表征的工具
    2.3 实验结果与讨论
2.5 颗粒的原位表征'>        2.3.1 PM_2.5 颗粒的原位表征
2.5颗粒'>        2.3.2 最具代表性的三类PM_2.5颗粒
2.5 颗粒的筛选'>        2.3.3 PM_2.5 颗粒的筛选
2.5 颗粒的形貌和纳米力学表征'>        2.3.4 对PM_2.5 颗粒的形貌和纳米力学表征
2.5 颗粒的纳米力学性质与化学成分之间的联系'>        2.3.5 PM_2.5 颗粒的纳米力学性质与化学成分之间的联系
    2.4 本章小结
    参考文献
第三章 光解水太阳能电池中薄膜材料包覆的光电阳极
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 实验仪器及材料试剂
        3.2.2 样品制备
        3.2.3 样品表征
    3.3 实验结果与讨论
        3.3.1 铜膜包覆的FTO电极：电催化的析氧反应
        3.3.2 铜膜包覆的n型硅片：光电催化的析氧反应
    3.4 本章小结
    参考文献
2薄膜中阻变开关（RS）现象的研究'>第四章 超薄HfO₂薄膜中阻变开关（RS）现象的研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验仪器及材料试剂
        4.2.2 样品的制备
        4.2.3 样品的表征
    4.3 实验结果与讨论
2薄膜中阻变现象（RS）的起因'>        4.3.1 HfO₂薄膜中阻变现象（RS）的起因
2薄膜中的力学性质研究'>        4.3.2 HfO₂薄膜中的力学性质研究
2薄膜中力学性质与RS现象的联系'>        4.3.3 HfO₂薄膜中力学性质与RS现象的联系
    4.4 本章小结
    参考文献
第五章 总结与展望
攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
致谢

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本文编号：2860727