一维异质结构光电极的制备及其光电转换性能的研究
本文选题:太阳电池 + 半导体光电材料 ; 参考:《辽宁大学》2017年硕士论文
【摘要】:随着经济和科技的迅速发展,传统能源的快速消耗,环境也遭受到了相应的破坏,开发新型的绿色能源成为当前的一个重要目标。地表的太阳能具有环保、安全、寿命长和利用范围广等优势,因此太阳能是我们急需开发和利用的清洁能源并且有望成为人类最大的目标能源。半导体光电材料可作为利用太阳能的载体实现光电转换。ZnO和TiO2因具有来源广、成本低、电子迁移率高和光活性高等显著优点成为了研究最多的半导体光电材料,然而由于它们带隙较宽,主要吸收紫外光,不能有效利用可见光,导致基于ZnO和TiO2太阳电池的光电转换效率较低,它们在现实应用中就会受到某种程度的限制。因此,我们可以用窄带隙的半导体材料修饰ZnO和TiO2构筑纳米级别的异质结构或用有机染料敏化ZnO和TiO2构成复合体系,这样能够充分利用占太阳光谱中主要部分的可见光并且提高光电极在可见光下的光电转换效率。本文设计并合成了一维Fe2O3/TiO2和BiOI/TiO2/ZnO复合光电极,通过光电流技术、光伏技术以及平带电位的测试研究了材料的光电转换性能,探讨了光生电荷的传输机制,具体研究工作包括:1.用水热合成法在氟掺杂的二氧化锡(FTO)导电玻璃基底上分别制备了TiO2纳米棒阵列、Fe2O3纳米薄膜以及一维Fe2O3/TiO2纳米复合光电极,通过调节Fe2O3的量来选择该复合光电极的最佳光电性能。主要通过X-ray粉末衍射(XRD )、场发射扫描电镜(FESEM )、透射电镜(TEM )以及紫外可见漫反射光谱对材料的形貌进行分析。在模拟太阳光照射下进行光电流-时间、光电流-光伏和水氧化等实验,进而研究光电极的光电转换性能。通过对比测试得出,基于Fe203/Ti02太阳电池的光电转换效率达到0.2086% ,短路电流达到1.84 mA/cm2 ,开路电压为0.44 V ,证明Fe2O3/TiO2光电极具有最佳的光电性能。根据平带电位的测试以及能带结构研究了光生电荷传输机理。2.用水热合成法分别在FTO导电玻璃基底上制备了 ZnO纳米棒阵列和TiO2纳米棒阵列,然后用化学沉积的方法在ZnO纳米棒上制备TiO2/ZnO纳米棒阵列最后再用化学沉积的方法对以上三个样品进行BiOI敏化制得BiOI/ZnO和BiOI/TiO2和BiOI/TiO2/ZnO光电极。通过XRD、FESEM和紫外可见漫反射光谱对以上六个样品进行形貌分析,在模拟太阳光下进行光电流、光伏和水氧化的测试。通过对比六个电极的测试结果得出,基于BiOI/TiO2/ZnO太阳电池的光电转换效率最高,达到0.3173% ,短路电流达到2.788 mA/cm2 ,证明BiOI/TiO2/ZnO光电极具有较好的光电转换性能。水氧化的实验结果显示了BiOI/TiO2光电极的起始电压最低,BiOI/TiO2/ZnO光电极的光电流最高,进一步证明BiOI/TiO2/ZnO具有优越的光电性能。根据平带电位初步探讨了光电效应理论。
[Abstract]:With the rapid development of economy and science and technology and the rapid consumption of traditional energy, the environment has been destroyed accordingly. Therefore, the development of new green energy has become an important goal at present. Surface solar energy has the advantages of environmental protection, safety, long life and wide range of use. Therefore, solar energy is a clean energy that we need to develop and use urgently, and is expected to become the largest target energy of mankind. Semiconductor optoelectronic materials can be used as carriers of solar energy to realize photoelectric conversion. ZnO and TiO2 have become the most studied semiconductor optoelectronic materials because of their wide source, low cost, high electron mobility and high photoactivity. However, because of their wide band gap, which mainly absorbs ultraviolet light and can not utilize visible light effectively, the photoelectric conversion efficiency based on ZnO and TiO2 solar cells is low, and they will be limited to some extent in practical applications. Therefore, we can use narrow band gap semiconductor materials to modify ZnO and TiO2 to construct nanoscale heterostructures or to use organic dyes to sensitize ZnO and TiO2 to form composite systems. In this way, the visible light, which is the main part of the solar spectrum, can be fully utilized and the photoelectric conversion efficiency of the photoelectrode under the visible light can be improved. In this paper, one-dimensional Fe2O3/TiO2 and BiOI/TiO2/ZnO composite photoelectrodes are designed and synthesized. The photoelectric conversion properties of the materials are studied by photocurrent technology, photovoltaic technology and flat band potential measurement, and the mechanism of photocharge transmission is discussed. The detailed research work includes: 1. TiO2 nanorod array Fe _ 2O _ 3 nanocrystalline film and one-dimensional Fe2O3/TiO2 nano-composite photoelectrode were prepared on fluorine-doped tin dioxide (FTO) conductive glass substrate by hydrothermal synthesis. The optimum optoelectronic properties of the composite photoelectrode were selected by adjusting the amount of Fe2O3. The morphologies of the materials were analyzed by X-ray powder diffraction, field emission scanning electron microscopy (FESEM), transmission electron microscopy (TEM) and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis). The photocurrent-time photocurrent-photovoltaic and water oxidation experiments were carried out under simulated solar irradiation to study the photoelectric conversion performance of the photoelectrode. The results show that the photoelectric conversion efficiency is 0.2086%, the short circuit current is 1.84 mA/cm2 and the open circuit voltage is 0.44 V based on the Fe203/Ti02 solar cell. It is proved that the Fe2O3/TiO2 photoelectrode has the best photoelectric performance. Based on the measurement of flat band potential and the energy band structure, the photoinduced charge transport mechanism was studied. ZnO nanorod arrays and TiO2 nanorods arrays were prepared on FTO conductive glass substrates by hydrothermal synthesis. Then the TiO2/ZnO nanorod arrays were prepared on ZnO nanorods by chemical deposition. Then the three samples were sensitized with BiOI by chemical deposition to obtain BiOI/ZnO BiOI/TiO2 and BiOI/TiO2/ZnO photoelectrodes. The morphologies of the above six samples were analyzed by means of XRDX FESEM and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy. Photocurrent photovoltaic and water oxidation measurements were carried out under simulated sunlight. Compared with the test results of six electrodes, the photovoltaic conversion efficiency of the solar cell based on BiOI/TiO2/ZnO is the highest, up to 0.3173%, and the short-circuit current is 2.788 mA/cm2. It is proved that the BiOI/TiO2/ZnO photoelectrode has better photoelectric conversion performance. The experimental results of water oxidation show that the initial voltage of BiOI/TiO2 photoelectrode is the lowest and the photocurrent of BiOI/TiO2/ZnO photoelectrode is the highest. It is further proved that BiOI/TiO2/ZnO has superior photoelectric performance. The theory of photoelectric effect is preliminarily discussed according to the flat band potential.
【学位授予单位】:辽宁大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O646.5
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 张智敏 ,李宇锋 ,张靓华;钯对二氧化钛光电极的影响[J];山西大学学报(自然科学版);1984年01期
2 管杰;王湘艳;田志鹏;张继远;于涛;于振涛;邹志刚;;氧化锌纳米棒微结构光电极的制备[J];无机化学学报;2009年11期
3 ;广州地化所合成新型消毒光电极材料[J];浙江化工;2014年06期
4 郭向丹,樊彩梅,郝晓刚,孙彦平;涂覆法制备TiO_2薄膜光电极及催化性能研究[J];太原理工大学学报;2002年06期
5 ;中科院广州地化所合成新型消毒光电极材料[J];分析测试学报;2014年07期
6 王理明;姚秉华;裴亮;;Ru-TiO_2光电极的研制与性能研究[J];分析科学学报;2010年06期
7 周卫;付宏刚;潘凯;田春贵;田国辉;任志宇;曲阳;孙家锺;;电沉积法制备介孔TiO_2/CdS薄膜光电极[J];高等学校化学学报;2010年01期
8 王理明;姚秉华;裴亮;程刚;;钌掺杂TiO_2/Ti光电极的制备及光电催化性能[J];稀有金属材料与工程;2010年07期
9 赵转清,姚素薇,张卫国,周亦龙,龚正烈;多孔TiO_2纳米薄膜修饰的镍基光电极的制备和性能[J];化工学报;2002年10期
10 唐泽坤;黄欢;管杰;于涛;邹志刚;;电泳法制备具有{001}面TiO_2纳米片分级球散射层的染敏太阳电池光电极(英文)[J];无机化学学报;2012年11期
相关会议论文 前10条
1 杨再三;万丽娟;李朝升;;电沉积制备WO_3光电极及其光电化学性能研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
2 桑丽霞;张知宇;黄莹;刘晓倩;马重芳;;TiO_2光-氢转换电极的关键特性分析[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年
3 彭天右;;柔性电极的制备及其染料敏化太阳能电池光电转换性能研究进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
4 彭天右;范科;柴波;陈俊年;;柔性光电极的制备及其染料敏化太阳能电池光电转换性能研究进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
5 康振辉;;碳量子点的荧光调控及其高效光电转换应用[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
6 施宏艳;郑咏梅;翟锦;江雷;;二氧化钛纳米孔膜及其光电转换特性[A];光电技术与系统文选——中国光学学会光电技术专业委员会成立二十周年暨第十一届全国光电技术与系统学术会议论文集[C];2005年
7 翟锦;;仿生多尺度结构光电转换材料和太阳能电池[A];中国化学会第28届学术年会第11分会场摘要集[C];2012年
8 孔向阳;;半导体纳米栅格/量子点纳米结构有序组装及光电转换[A];中国化学会第26届学术年会纳米化学分会场论文集[C];2008年
9 张闯;闫永丽;赵永生;姚建年;;一维有机异质结构的制备和发光性质调控[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
10 杨金虎;彭成信;左元慧;祖连海;秦瑶;;纳米复合/异质结构设计及其能量存储与转化研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会:能源纳米科学与技术[C];2014年
相关重要报纸文章 前7条
1 通讯员 段同刚 记者 蔡计锁;晶龙“赛秀”实现量产光电转换率达18.5%[N];河北日报;2010年
2 通讯员 段同刚 田思 记者 蔡计锁;晶龙“晶枫”技术多晶硅光电转换率达到18.5%[N];河北日报;2011年
3 特约记者 牛献力 通讯员 田思;晶龙多晶硅光电转换率行业领先[N];中国化工报;2012年
4 通讯员 段同刚 田思 记者 蔡计锁;晶龙多晶硅太阳能电池光电转换率达到18.2%[N];河北日报;2011年
5 本报记者 张梦然;将光电转换率提高一倍,可行吗?[N];科技日报;2014年
6 本报记者 李燕京;光电 将得到更多应用[N];中国消费者报;2009年
7 首席记者 徐瑞哲;光电转换,打造“乡村版”路灯工程[N];解放日报;2014年
相关博士学位论文 前10条
1 邓久军;氧化铁光电极的改性及光电催化分解水性能研究[D];苏州大学;2016年
2 邹志军;金属氧化物及其复合体系的气相光电性能与表征[D];华中科技大学;2013年
3 程修文;改性TiO_2纳米管光电极制备及光电催化降解双氯芬酸研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
4 刘平;电化学光电转换与储存的新构思与新技术研究[D];武汉大学;2012年
5 甄延忠;Mo-O基半导体材料优化制备及光催化氧化脱硫性能的研究[D];西北大学;2015年
6 刘尔富;二维材料及其异质结构的电子输运与器件研究[D];南京大学;2015年
7 朱国兴;基于氧族化合物纳米复合结构的构筑、机理及性能研究[D];南京大学;2010年
8 邹欣伟;Cu_2O基纳米异质结的制备及光催化、光电和气敏性能[D];西北工业大学;2015年
9 石遂兴;Ⅲ-Ⅴ族窄带隙半导体纳米线及纳米线异质结的生长与物性研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2015年
10 赵洋;InN薄膜的MBE法生长及其NiO组合异质结器件研究[D];吉林大学;2016年
相关硕士学位论文 前10条
1 周欣;一维异质结构光电极的制备及其光电转换性能的研究[D];辽宁大学;2017年
2 桂婷云;氧化亚铜光电极的制备、表面修饰和光电学性能研究[D];南昌大学;2015年
3 寇艳强;N型宏孔硅/TiO_2光电极的制备及光电特性研究[D];长春理工大学;2014年
4 张娟娟;光电催化氧化降解铜氰络合物研究[D];河北工业大学;2015年
5 陆裕华;基于表面等离激元的金属-TiO_2复合光电极的制备及其光催化性能研究[D];苏州大学;2016年
6 范兵;ZnIn_2S_4基纳米结构薄膜光电极的制备及其光电催化产氢性能研究[D];华南理工大学;2016年
7 李铭;碳基高效扩散光电极的制备及对苯甲醛催化降解性能研究[D];吉首大学;2016年
8 王荣荣;CO_2光电还原催化剂的制备及其性能研究[D];西安科技大学;2016年
9 李春发;二氧化钛光阳极体系优化及太阳能光电化学分解水制氢应用[D];江苏大学;2017年
10 张超;α-Fe_2O_3基复合光电极的制备及其光电化学性能研究[D];江苏大学;2017年
,本文编号:1988719
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/1988719.html