二氧化钛纳米管的可控制备及其在太阳能电池中的应用

发布时间：2017-08-23 15:12

  本文关键词：二氧化钛纳米管的可控制备及其在太阳能电池中的应用

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【摘要】：一维二氧化钛纳米材料,尤其是二氧化钛纳米管是一种重要的无机功能材料,它具有优良的物理和化学性能,如有序的电子通道,高比表面积,低成本,稳定的化学性质及良好的光吸收性等,被广泛应用于光催化降解污染物,光解水制氢,传感器及太阳能电池。目前常用的制备方法中,水热法制备的TiO2纳米管杂乱无序;模板法制备TiO2纳米管具有模板尺寸限制且去除模板可能会破坏TiO2纳米管的形貌,具有很大的局限性。阳极氧化法因其制备的TiO2纳米管高度有序且质量较好而具有良好的前景。二氧化钛因禁带宽度较大(锐钛矿型为3.2 eV,金红石型为3.0 eV),只能响应波长低于390 nm的紫外光,光利用率较低。此外,光生电子空穴对极容易复合,使得光电转换效率较低。为降低TiO2的带隙,提高光利用率,当前研究主要集中于TiO2纳米管的改性,如非金属掺杂,过渡金属掺杂以及表面敏化等。另外,与窄带系半导体复合形成的异质结具有优异的光电特性,在全固态无机太阳能电池中具有极好的应用潜力。本文采用阳极氧化法,通过控制阳极氧化电压与时间,制备出管长和管径可控的TiO2纳米管阵列薄膜,系统研究了阳极氧化电压、时间与TiO2纳米管管径和管长的动力学关系。进而使用管长~7.7?m,管径~75 nm的TiO2纳米管阵列薄膜为基底,通过连续离子层吸附与反应法对TiO2纳米管进行Zn S纳米颗粒的填充,然后通过离子交换法将Zn S转换为Cu S,制备出Cu S/TiO2 p-n异质结。最后组装成CuS/TiO2基全固态无机太阳能电池,研究其光电性能。结果表明,采用阳极氧化法制备TiO2纳米管,随阳极氧化电压升高,TiO2纳米管管长增加,而管径则先增大后减小。当阳极氧化电压为50 V时,TiO2纳米管排列整齐有序,薄膜质量最好。随阳极氧化时间的增加,TiO2纳米管管长和管径都呈增加趋势。采用连续离子层吸附与反应法向TiO2纳米管中填充Zn S纳米颗粒,由于Cu S的溶度积小于ZnS,通过离子交换法将ZnS转化为CuS,完成TiO2纳米管的复合,制备出了Cu S/TiO2异质结。解决了Cu S因易在TiO2纳米管表层形成致密的膜层而无法溶液法完全填充的问题。最后选用石墨粉作为对电极,以FTO为基板,组装出Cu S/TiO2基全固态无机太阳能电池FTO/TiO2(阻挡层)/TiO2纳米管/Cu S/石墨粉/FTO,测得其太阳能电池的效率为0.25%。另外,连续离子层吸附与反应和离子交换相结合的方法操作简单、且绿色无污染,可用于其他硫化物如PbS、CdS、Ag2S、Co S等与TiO2纳米管的复合,而研究其光电性能,具有广泛的应用潜力。
【关键词】：二氧化钛纳米管 CuS/TiO_2 离子交换 太阳能电池
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-21
• 1.1 引言8
• 1.2 太阳能电池8-11
• 1.2.1 太阳能电池的工作原理9-10
• 1.2.2 太阳能电池的性能参数10-11
• 1.3 二氧化钛11-13
• 1.3.1 二氧化钛的晶体结构11-12
• 1.3.2 二氧化钛的能带结构12-13
• 1.4 二氧化钛纳米管13-19
• 1.4.1 二氧化钛纳米管的制备13-15
• 1.4.2 二氧化钛纳米管的改性15-18
• 1.4.3 二氧化钛纳米管的应用18-19
• 1.5 本课题研究的目的意义及内容19-21
• 1.5.1 课题研究的目的和意义19-20
• 1.5.2 课题研究内容20-21
• 2 试验材料与研究方法21-27
• 2.1 试验材料与仪器21-22
• 2.1.1 试验材料与试剂21
• 2.1.2 试验仪器21-22
• 2.2 材料制备22-23
• 2.2.1 TiO_2纳米管的可控制备22
• 2.2.2 TiO_2纳米管的复合22-23
• 2.3 材料表征23-24
• 2.3.1 场发射扫描电镜分析（FIB/SEM）23
• 2.3.2 X射线衍射分析（XRD）23
• 2.3.3 高分辨透射电镜（HRTEM）23-24
• 2.3.4 紫外可见近红外分光光度计（UV-3600）24
• 2.4 光电性能测试24-27
• 2.4.1 I-V测试24-25
• 2.4.2 IPCE测试25-27
• 3 TiO_2纳米管的可控制备及性能研究27-34
• 3.1 TiO_2纳米管的可控制备27-28
• 3.2 结果与讨论28-33
• 3.2.1 TiO_2纳米管生长动力学曲线28
• 3.2.2 TiO_2纳米管的形貌分析28-32
• 3.2.3 TiO_2纳米管的晶型分析32-33
• 3.3 本章小结33-34
• 4 CuS/TiO_2异质结的制备及光电性能研究34-45
• 4.1 CuS/TiO_2异质结的制备34-35
• 4.1.1 TiO_2电极的制备34
• 4.1.2 CuS/TiO_2异质结的制备34-35
• 4.1.3 CuS/TiO_2基太阳能电池的组装35
• 4.2 结果与讨论35-43
• 4.2.1 填充和转化动力学分析35-36
• 4.2.2 SEM形貌分析36-38
• 4.2.3 EDS分析38-39
• 4.2.4 TEM分析39-40
• 4.2.5 机理分析40-41
• 4.2.6 晶型与吸光度分析41-42
• 4.2.7 光电性能分析42-43
• 4.3 本章小结43-45
• 5 结论与展望45-47
• 5.1 结论45
• 5.2 展望45-47
• 致谢47-48
• 参考文献48-54
• 附录54
• A. 攻读硕士期间发表的论文54
• B. 攻读硕士期间所获奖项54

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本文编号：725736