二氧化钛异相结的制备及其光电性能研究

发布时间：2018-04-02 09:42

本文选题：二氧化钛　切入点：异相结　出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文

【摘要】：二氧化钛(TiO_2)具有稳定性好、环境友好、价格低等一系列优点,被广泛应用于太阳能光(电)催化分解水、太阳能电池、光催化污染物降解等领域。近年来大量研究已经表明在TiO_2表面进行“结”的构建可以显著提高光转化效率。TiO_2表面“结”的研究范畴逐渐从肖特基结、异质结拓展到异相结、表面无定型层等,但对其中“异相结”、“表面无定型层”的具体作用机制众说纷纭,关键是器件制备、机理研究及性能评价等问题尚未解决。这一系列问题极大地阻碍了本方向的发展和相关应用。本论文以TiO_2一维纳米材料为基本结构,研究了TiO_2金红石/锐钛矿的异相结、TiO_2晶相/表面无定型相等特殊结构,并将其用于几种光电器件的设计、制备和应用研究。以TiO_2金红石和锐钛矿分别为正负极构建了光伏器件,并对其光伏性能进行研究。以水热合成的一维金红石纳米棒阵列为基底,在其上磁控溅射一层锐钛矿相,形成锐钛矿@金红石的准同轴纳米棒阵列。在锐钛矿上溅射一层ITO用于收集并导出其中的载流子,利用FTO基底导出金红石相中的载流子,由此构建了异相结光伏器件。光伏表征的结果显示TiO_2单相器件并没有表现出光伏响应,而TiO_2异相结器件可以产生明显的光伏效应:开路电压为0.18 V,短路电流为114μm/cm~2。通过对光入射方向、电极极性等因素进行调控,发现光照条件下光生载流子在金红石相和锐钛矿相间发生定向迁移,迁移方向与测试条件无关:光生电子由金红石相向锐钛矿相迁移,而光生空穴则由锐钛矿相向金红石相迁移。利用电化学还原法对一维金红石纳米棒进行修饰,得到了TiO_2体相晶态/表面无定型层的特殊结构。利用三电极体系,对合成的金红石相纳米棒阵列电极在-1.6~-3 V偏压下进行电化学还原,纳米棒由白色转为灰色。高分辨透射电镜表征结果显示还原后纳米棒表面形成一层无定型层,无定型层的厚度随还原电压降低而增加。光电化学表征结果显示,具有无定型层的电极的光电流较处理前显著提高:TiO_2电极在-1.8 V下还原0.5 s后光电流便明显增加,还原2 s后光电流增加到未处理电极的2.2倍,并在长达5 h的持续光照下保持稳定。对还原后电极进行的一系列光电化学及电化学表征结果显示,表面无定型层可以促进光生载流子的迁移并促进水氧化反应的进行。构建了TiO_2锐钛矿/金红石相的异相结光伏器件,并将其用作自驱动的紫外探测器。研究发现在紫外光照射下,异相结光伏器件的短路电流达到1.7m A/cm~2,即实现了在无外加偏压时自驱动光生载流子分离,从而在外电路中产生了光响应信号。在385 nm紫外光下,异相结器件的光响应可达到0.085A/W,该值高于大多数同类器件。在不同波长光照下对异相结器件的测试结果显示,其吸收带边位于410 nm,具有优异的日盲性。通过对入射光频率进行调制,测到异相结器件的响应时间约为4μs,显示其可应用于紫外光的超快检测。此外,本文也将具有表面无定型层的金红石纳米棒阵列应用于构建光电化学紫外探测器。利用具有表面无定型层的TiO_2光阳极、Pt对电极、I-/I3-电解液,制备了三明治结构的光电化学紫外探测器。结果显示表面无定型层能促进光生载流子分离,提高光生电子寿命,进而缩短探测器的响应时间,使紫外探测器的光转化效率明显提高——具有表面无定型层的器件,在380nm波长的紫外光照下,入射光子到电子的转化效率由10%增加到23%。
[Abstract]:This paper deals with the development and application of TiO _ 2 single - phase nano - rods . The results show that TiO _ 2 single - phase devices do not exhibit photovoltaic effect .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.11

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