TiO2电极上可控沉积异质结及光电转化性能研究

论文摘要

在利用半导体材料实现光催化和光电转化等过程的探索中发现，降低光生载流子的复合率和提高太阳能的利用率是两个关键因素。研究者采用了多种手段和方法以解决这两个瓶颈因素。本文采用电沉积技术以ITO／TiO2薄膜为基底进行可控沉积CdS纳米薄膜。通过EDS、XRD、N2吸附-脱附，SPS、SEM、荧光光谱、光电测试系统和交流阻抗谱等方法对样品性能进行测试和表征。探讨了体系pH值、沉积时间、沉积电位等条件对电沉积TiO2-CdS异质结的调控，并研究了TiO2-CdS异质结的光电性能以及光催化性能。实验结果表明：采用水热合成法与溶胶-凝胶法制备的TiO2溶胶粒子混合溶液，经过浸渍提拉法制备的ITO／TiO2薄膜具有堆积的孔道结构，孔径分布在3.8 nm到4.7 nm之间。以ITO／TiO2薄膜为基底，采用0.1 mol／L CdCl2为Cd的沉积源，0.01 mol／L Na2S2O3为S的沉积源，当电解液PH值为1.5，在-1.0 V下沉积时可以得到Cd／S的原子比接近1：1的CdS薄膜，单个CdS粒子的粒径为13 nm左右。沉积得到的CdS晶体具有六方为主并混有立方相的晶体结构，并且在（002）晶面沿着基底的c-轴择优取向生长。没有经过温度处理，结晶度依然很高。SEM、SPS等结果表明CdS首先沉积在三层TiO2堆积形成的孔道中，当孔道被填满之后，CdS在薄膜表面继续沉积，并以TiO2粒子为生长点。沉积在孔道中的CdS与TiO2形成了异质结。通过荧光光谱和光电流作用谱结果表明在TiO2薄膜电极上采用电化学沉积法沉积CdS之后，CdS的荧光信号减弱，从而提高了TiO2薄膜电极的光电性能，起到了敏化的作用。通过改变沉积时间和沉积电位等电沉积条件，可以改变CdS薄膜的沉积量以及组成的变化和CdS粒径的大小。光电催化数据表明外加静电电场起到了分离光生载流子的作用，电位越高，光生载流子分离效果越好，催化效果也越好，降解率越高。如果外加电位过高，RhB就会直接发生电氧化，ITO／TiO2／CdS复合薄膜只是作为一个电阻很大的电极来导电，所以本应该作为催化主体的ITO／TiO2／CdS复合薄膜对RhB的降解率反而降低。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 太阳能电池的研究进展
• 1.2.1 太阳能电池的工作原理
• 1.2.2 硅太阳能电池
• 1.2.3 铜铟镓硒太阳能电池
• 1.2.4 聚合物太阳能电池
• 1.2.5 敏化太阳能电池
• 2薄膜的制备研究进展'>1.3 纳米TiO₂薄膜的制备研究进展
• 1.3.1 溶胶-凝胶法为基础的涂层方法
• 2薄膜的化学气相沉积法'>1.3.2 制备纳米TiO₂薄膜的化学气相沉积法
• 1.3.3 制备纳米下仇薄膜的物理方法
• 2薄膜的组装方法'>1.3.4 制备TiO₂薄膜的组装方法
• 2膜电极的敏化剂的选择'>1.4 对TiO₂膜电极的敏化剂的选择
• 1.4.1 染料敏化剂
• 1.5 电沉积技术的引入
• 1.5.1 概述
• 1.5.2 电沉积法在制备纳米晶体材料的应用
• 1.5.3 电沉积技术的基本原理
• 1.5.4 电化学沉积技术在敏化多孔半导体薄膜中的应用
• 1.6 本课题研究目的及意义和研究现状及发展趋势
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 国内外同类课题研究现状及发展趋势
• 1.6.3 工作设计
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验试剂和仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器及设备
• 2.2 材料表征方法
• 2.2.1 晶型结构的测定
• 2.2.2 光学性能测试
• 2.2.3 表面的组成、结构和化学态测试
• 2.2.4 光电性能测试
• 2.2.5 薄膜表面形貌及膜厚的测试
• 2.3 表面光电压谱原理
• 2.3.1 表面光电压谱装置
• 2.3.2 表面光电压谱基本原理
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 光催化反应体系
• 2.4.2 光电性能测试系统
• 2.5 薄膜基片的清洗
• 2.5.1 ITO导电玻璃的清洗
• 2.5.2 单晶硅片的清洗
• 2.6 二氧化钦薄膜电极的制备
• 2溶胶的制备'>2.6.1 TiO₂溶胶的制备
• 2粒子分散体系的制备'>2.6.2 TiO₂粒子分散体系的制备
• 2薄膜的制备'>2.6.3 TiO₂薄膜的制备
• 2.6.4 电极的封装
• 2/CdS复合薄膜的制备及表征'>第3章 ITO/TiO₂/CdS复合薄膜的制备及表征
• 3.1 引言
• 2/CdS复合电极的制备'>3.2 ITO/TiO₂/CdS复合电极的制备
• 3.2.1 实验方法
• 2/CdS复合电极的表征'>3.3 ITO/TiO₂/CdS复合电极的表征
• 3.3.1 能谱元素分析（EDX）
• 3.3.2 X-射线光电子能谱（XPS）分析
• 3.3.3 X-射线衍射（XRD）分析
• 3.3.4 拉曼（Ranman）光谱分析
• 2粉体的N₂吸附-脱附分析'>3.3.5 TiO₂粉体的N₂吸附-脱附分析
• 2薄膜的电子扫描电镜测试'>3.3.6 ITO/TiO₂薄膜的电子扫描电镜测试
• 3.3.7 表面形貌及CdS沉积过程的研究
• 2/CdS复合薄膜的可控沉积'>3.4 ITO/TiO₂/CdS复合薄膜的可控沉积
• 3.4.1 不同沉积时间的对CdS粒径控制
• 3.4.2 不同沉积电位对CdS粒径控制
• 3.4.3 不同电解液PH值对CdS粒径的影响
• 3.4.4 电解液中不同Cd和S浓度比的CdS粒径的影响
• 3.5 本章小结
• 2/CdS复合薄膜电极的光电性能'>第4章 ITO/TiO₂/CdS复合薄膜电极的光电性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 2/CdS复合电极的制备'>4.2.1 ITO/TiO₂/CdS复合电极的制备
• 4.2.2 光电化学测试
• 2/CdS复合薄膜电极的光电性能'>4.3 ITO/TiO₂/CdS复合薄膜电极的光电性能
• 2薄膜电极工作面积的确定'>4.3.1 ITO/TiO₂薄膜电极工作面积的确定
• 2/CdS复合薄膜电极的荧光分析'>4.3.2 ITO/TiO₂/CdS复合薄膜电极的荧光分析
• 2/CdS复合电极的光电性能'>4.3.3 ITO/TiO₂/CdS复合电极的光电性能
• 4.4 导体复合机理的探讨
• 2/CdS薄膜电极光电性能的影响'>4.5 其它因素对ITO/TiO₂/CdS薄膜电极光电性能的影响
• 4.5.1 电解液PH值的影响
• 4.6 本章小结
• 2/CdS复合薄膜电极的光电催化研究'>第5章 TO/TiO₂/CdS复合薄膜电极的光电催化研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 2/CdS复合电极的制备'>5.2.1 ITO/TiO₂/CdS复合电极的制备
• 5.2.2 光催化活性评价
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文