论文摘要
作为太阳电池光阳极的半导体材料TiO2由于带隙宽、量子效率低而限制了其实际应用。本文制备了ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜,然后以ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜为基底,利用阴极恒电位沉积法,分别沉积窄带隙半导体CdS和CdSe,制备出ITO/TiO2/CdS和ITO/TiO2/CdSe纳米半导体复合薄膜,并研究了不同实验条件对半导体复合薄膜中沉积物粒子的平均粒径、组成及薄膜表面形貌的影响,同时将以上各半导体复合薄膜制备成太阳电池的光阳极,考察了各半导体复合薄膜电极的光电性能。研究中分别以TiO2溶胶、TiO2纳米粒子、TiO2溶胶与TiO2纳米粒子混合的分散体系为前躯体,利用浸渍-提拉技术或涂敷技术制备了TiO2溶胶膜、TiO2粒子膜和TiO2溶胶-粒子膜三类薄膜。通过XRD和Raman光谱确定了所制备TiO2的晶相结构,利用SEM和AFM观察了TiO2薄膜的表面形貌,计算了TiO2粒子尺寸,通过氮气吸附-脱附实验表征了TiO2溶胶-粒子薄膜的孔道结构及薄膜的比表面积,并使用紫外吸收光谱及光电性能测试手段分析了各类TiO2薄膜的光吸收特征及光电化学性能。结果表明,TiO2溶胶-粒子薄膜是一类多孔纳米晶薄膜,由锐钛矿相的TiO2粒子构成,TiO2粒子的平均粒径约10 nm,且粒子分布均匀,薄膜表面具有较高的粗糙度,比表面积为123 m 2 ? g?1,薄膜中较丰富的孔道结构,增加了光生载流子的分离效率,该类薄膜对紫外光有较强的吸收,其光电化学性能明显好于TiO2溶胶膜和TiO2粒子膜。采用阴极恒电位沉积方法,以ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜为基底,在含有CdCl2和Na2S3O2的酸性混合水溶液中沉积CdS,制备了ITO/TiO2/CdS纳米半导体复合薄膜,并利用XRD和XPS表征了沉积物CdS的晶相结构与组成,通过SEM观察薄膜的表面形貌、粒子尺寸及膜厚。根据本文实验数据及前人研究工作讨论了CdS的电沉积过程与机理。实验中,也研究了沉积电位、沉积时间、电解液的组成、实验温度等实验条件对CdS平均粒径及ITO/TiO2/CdS纳米半导体复合薄膜表面形貌的影响。研究结果表明,在ITO/TiO2表面沉积的CdS粒子具有六方结构为主的混合晶相结构,球形粒子均匀沉积于ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜的内部及表面。在40℃、-1.00 V、沉积20 min条件下制备的ITO/TiO2/CdS薄膜形成菜花状的表面形貌,CdS粒子的平均粒径约810 nm,沉积层厚度约为1.885μm,薄膜中镉硫元素的原子比接近1:1。通过控制实验的沉积电位由-0.80 V负移至-1.40 V,CdS粒子的平均粒径由15.0 nm减小至6.2 nm,薄膜中硫镉元素的原子含量也由硫富集变为镉富集,且薄膜厚度增加。沉积时间为5 min的薄膜中CdS的平均粒径约5 nm,形成网络状的表面形貌,薄膜厚度约为1.40μA。实验中,还利用光电流-电势曲线与光电流作用谱考察了ITO/TiO2/CdS半导体复合薄膜电极的光电化学性能及实验条件的改变对薄膜电极光电性能的影响。借助于表面光电压谱和瞬态光电流谱探讨了ITO/TiO2/CdS薄膜电极中电荷传输过程。实验结果表明,窄带隙半导体CdS与宽带隙半导体TiO2的复合有效地促进了光电子与空穴的分离,增大了薄膜电极的光电流,改善了ITO/TiO2薄膜电极初始光电流响应,ITO/TiO2/CdS半导体复合薄膜电极的光电响应拓宽至500 nm的可见光区,在400 nm单色光照射下半导体复合薄膜电极具有约45%的光电转换效率。此外,实验中还利用了阴极恒电位沉积法将窄带隙半导体CdSe沉积于ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜中。通过XRD、SEM等测试手段表征了沉积物CdSe的晶相结构与粒子尺寸、分析了所制备的ITO/TiO2/CdSe的组成及表面形貌。讨论了在不同沉积电位下CdSe的沉积机理。利用紫外-可见吸收光谱、表面光电压谱、电流-电势曲线及瞬态光电流谱等考察了ITO/TiO2/CdSe薄膜的光电性能。实验结果表明,窄带隙半导体CdSe纳米粒子以球体较均匀地分布形成较致密、平整的表面形貌,粒子的粒径分布较宽,控制CdSe沉积电位不同时CdSe的沉积按不同的沉积机理进行;窄带隙半导体CdSe与宽带隙半导体TiO2的复合有效抑制了光生电子与空穴复合的机会,将ITO/TiO2薄膜的光吸收和光电响应范围覆盖了400 nm至700 nm的可见光区。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 课题研究的背景、目的和意义1.2 太阳电池的工作原理与发展现状1.2.1 太阳电池的工作原理1.2.2 晶体硅电池的技术发展1.2.3 薄膜太阳电池发展现状1.2.4 太阳电池的商业化发展趋势和展望2半导体材料的表面修饰及应用'>1.3 TiO2半导体材料的表面修饰及应用2 的结构性质'>1.3.1 TiO2的结构性质2 的表面修饰方法及其在光催化和光电化学方面的应用'>1.3.2 TiO2的表面修饰方法及其在光催化和光电化学方面的应用1.4 半导体复合薄膜的化学法制备技术1.4.1 溶胶-凝胶（Sol-Gel）法1.4.2 化学沉积法1.4.3 电化学沉积法1.5 电沉积技术制备CdS 和CdSe 的进展1.5.1 电沉积技术制备CdS 半导体薄膜1.5.2 电沉积技术制备CdSe 半导体薄膜1.5.3 电沉积法制备半导体薄膜目前存在的问题1.6 课题的主要研究内容第2章 实验方案及研究方法2.1 实验试剂和实验仪器2.1.1 实验试剂2.1.2 实验仪器2.2 二氧化钛薄膜电极的制备2.2.1 ITO 导电玻璃的清洗与处理2 溶胶的制备'>2.2.2 TiO2溶胶的制备2 纳米粒子分散体系的制备'>2.2.3 TiO2纳米粒子分散体系的制备2 薄膜的制备'>2.2.4 TiO2薄膜的制备2 薄膜电极的封装'>2.2.5 TiO2薄膜电极的封装2薄膜表面的沉积'>2.3 窄带隙半导体在ITO/TiO2薄膜表面的沉积2.3.1 窄带隙半导体CdS 的沉积实验2.3.2 窄带隙半导体CdSe 的沉积实验2.4 薄膜的表征与性能测试2.4.1 X 射线衍射分析2.4.2 X 射线光电子能谱2.4.3 扫描电子显微镜2.4.4 原子力显微镜2.4.5 氮气吸附-脱附分析2.4.6 紫外-可见光谱2.4.7 拉曼光谱2.4.8 表面光电压谱2.4.9 光电化学性能的测试2多孔纳米晶薄膜电极的制备'>第3章 TiO2多孔纳米晶薄膜电极的制备2薄膜的制备'>3.1 ITO/TiO2薄膜的制备2薄膜的晶相结构'>3.2 ITO/TiO2薄膜的晶相结构3.2.1 X 射线衍射光谱3.2.2 拉曼光谱分析2薄膜的微观结构'>3.3 ITO/TiO2薄膜的微观结构3.3.1 薄膜的扫描电子显微镜照片3.3.2 薄膜的原子力显微镜分析3.3.3 薄膜的N2 吸附-脱附2薄膜的吸收光谱与光电性能'>3.4 ITO/TiO2薄膜的吸收光谱与光电性能3.4.1 紫外吸收光谱3.4.2 电流-电势曲线3.5 本章小结2表面沉积及薄膜光电性能'>第4章 CdS 在ITO/TiO2表面沉积及薄膜光电性能2薄膜上的沉积'>4.1 CdS 在ITO/TiO2薄膜上的沉积2/CdS 薄膜的表征'>4.2 ITO/TiO2/CdS 薄膜的表征4.2.1 沉积物的晶相结构与组成4.2.2 薄膜的表面形貌4.3 CdS 粒子的沉积过程2/CdS 半导体复合薄膜的紫外可见吸收光谱'>4.4 ITO/TiO2/CdS 半导体复合薄膜的紫外可见吸收光谱2/CdS 半导体复合薄膜的光电化学性能'>4.5 ITO/TiO2/CdS 半导体复合薄膜的光电化学性能4.5.1 光电流-电势曲线4.5.2 光电流作用谱2/CdS 半导体复合薄膜中光生载流子的分离与传输'>4.6 ITO/TiO2/CdS 半导体复合薄膜中光生载流子的分离与传输4.6.1 表面光伏特征4.6.2 瞬态光电流-时间关系4.7 本章小结第5章 CdS 的可控生长条件5.1 沉积电位的影响5.1.1 CdS 粒子的粒径与薄膜组成5.1.2 薄膜的光学特征与光电性能5.2 沉积时间的影响5.2.1 CdS 粒子的粒径、薄膜的组成及表面形貌5.2.2 薄膜的光吸收与光伏特性5.2.3 薄膜的光电性能5.3 电解液组成的影响5.3.1 电解液中CdC12 和Na25203 浓度的影响5.3.2 电解液中加入EDTA 络合剂的影响5.4 实验温度的影响5.4.1 薄膜的制备5.4.2 薄膜的光吸收特征5.4.3 薄膜的光电性能5.5 本章小结2表面沉积及薄膜光电性能'>第6章 CdSe 在ITO/TiO2表面沉积及薄膜光电性能6.1 CdSe 沉积电位的确定2/CdSe 半导体复合薄膜的表征'>6.2 ITO/TiO2/CdSe 半导体复合薄膜的表征6.2.1 CdSe 的晶相结构6.2.2 薄膜的组成与CdSe 的沉积机理探讨6.2.3 薄膜的扫描电子显微镜照片与原子力分析6.2.4 薄膜的吸收光谱2/CdSe 半导体复合薄膜的表面光电压谱'>6.3 ITO/TiO2/CdSe 半导体复合薄膜的表面光电压谱2/CdSe 半导体复合薄膜的光电性能'>6.4 ITO/TiO2/CdSe 半导体复合薄膜的光电性能6.4.1 电流-电势曲线6.4.2 光电流作用谱2/CdS 和ITO/TiO2/CdSe 薄膜电极的光电性能的比较'>6.4.3 ITO/TiO2/CdS 和ITO/TiO2/CdSe 薄膜电极的光电性能的比较6.5 本章小结结论展望参考文献攻读博士期间发表的论文致谢个人简历
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CdS和CdSe在TiO2薄膜表面的可控沉积及光电性能研究
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