本文關鍵詞：二氧化鈦納米管的可控制備及其在太陽能電池中的應用

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【摘要】：一維二氧化鈦納米材料,尤其是二氧化鈦納米管是一種重要的無機功能材料,它具有優(yōu)良的物理和化學性能,如有序的電子通道,高比表面積,低成本,穩(wěn)定的化學性質及良好的光吸收性等,被廣泛應用于光催化降解污染物,光解水制氫,傳感器及太陽能電池。目前常用的制備方法中,水熱法制備的TiO2納米管雜亂無序;模板法制備TiO2納米管具有模板尺寸限制且去除模板可能會破壞TiO2納米管的形貌,具有很大的局限性。陽極氧化法因其制備的TiO2納米管高度有序且質量較好而具有良好的前景。二氧化鈦因禁帶寬度較大(銳鈦礦型為3.2 eV,金紅石型為3.0 eV),只能響應波長低于390 nm的紫外光,光利用率較低。此外,光生電子空穴對極容易復合,使得光電轉換效率較低。為降低TiO2的帶隙,提高光利用率,當前研究主要集中于TiO2納米管的改性,如非金屬摻雜,過渡金屬摻雜以及表面敏化等。另外,與窄帶系半導體復合形成的異質結具有優(yōu)異的光電特性,在全固態(tài)無機太陽能電池中具有極好的應用潛力。本文采用陽極氧化法,通過控制陽極氧化電壓與時間,制備出管長和管徑可控的TiO2納米管陣列薄膜,系統(tǒng)研究了陽極氧化電壓、時間與TiO2納米管管徑和管長的動力學關系。進而使用管長~7.7?m,管徑~75 nm的TiO2納米管陣列薄膜為基底,通過連續(xù)離子層吸附與反應法對TiO2納米管進行Zn S納米顆粒的填充,然后通過離子交換法將Zn S轉換為Cu S,制備出Cu S/TiO2 p-n異質結。最后組裝成CuS/TiO2基全固態(tài)無機太陽能電池,研究其光電性能。結果表明,采用陽極氧化法制備TiO2納米管,隨陽極氧化電壓升高,TiO2納米管管長增加,而管徑則先增大后減小。當陽極氧化電壓為50 V時,TiO2納米管排列整齊有序,薄膜質量最好。隨陽極氧化時間的增加,TiO2納米管管長和管徑都呈增加趨勢。采用連續(xù)離子層吸附與反應法向TiO2納米管中填充Zn S納米顆粒,由于Cu S的溶度積小于ZnS,通過離子交換法將ZnS轉化為CuS,完成TiO2納米管的復合,制備出了Cu S/TiO2異質結。解決了Cu S因易在TiO2納米管表層形成致密的膜層而無法溶液法完全填充的問題。最后選用石墨粉作為對電極,以FTO為基板,組裝出Cu S/TiO2基全固態(tài)無機太陽能電池FTO/TiO2(阻擋層)/TiO2納米管/Cu S/石墨粉/FTO,測得其太陽能電池的效率為0.25%。另外,連續(xù)離子層吸附與反應和離子交換相結合的方法操作簡單、且綠色無污染,可用于其他硫化物如PbS、CdS、Ag2S、Co S等與TiO2納米管的復合,而研究其光電性能,具有廣泛的應用潛力。
【關鍵詞】：二氧化鈦納米管 CuS/TiO_2 離子交換 太陽能電池
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 緒論8-21
• 1.1 引言8
• 1.2 太陽能電池8-11
• 1.2.1 太陽能電池的工作原理9-10
• 1.2.2 太陽能電池的性能參數(shù)10-11
• 1.3 二氧化鈦11-13
• 1.3.1 二氧化鈦的晶體結構11-12
• 1.3.2 二氧化鈦的能帶結構12-13
• 1.4 二氧化鈦納米管13-19
• 1.4.1 二氧化鈦納米管的制備13-15
• 1.4.2 二氧化鈦納米管的改性15-18
• 1.4.3 二氧化鈦納米管的應用18-19
• 1.5 本課題研究的目的意義及內(nèi)容19-21
• 1.5.1 課題研究的目的和意義19-20
• 1.5.2 課題研究內(nèi)容20-21
• 2 試驗材料與研究方法21-27
• 2.1 試驗材料與儀器21-22
• 2.1.1 試驗材料與試劑21
• 2.1.2 試驗儀器21-22
• 2.2 材料制備22-23
• 2.2.1 TiO_2納米管的可控制備22
• 2.2.2 TiO_2納米管的復合22-23
• 2.3 材料表征23-24
• 2.3.1 場發(fā)射掃描電鏡分析（FIB/SEM）23
• 2.3.2 X射線衍射分析（XRD）23
• 2.3.3 高分辨透射電鏡（HRTEM）23-24
• 2.3.4 紫外可見近紅外分光光度計（UV-3600）24
• 2.4 光電性能測試24-27
• 2.4.1 I-V測試24-25
• 2.4.2 IPCE測試25-27
• 3 TiO_2納米管的可控制備及性能研究27-34
• 3.1 TiO_2納米管的可控制備27-28
• 3.2 結果與討論28-33
• 3.2.1 TiO_2納米管生長動力學曲線28
• 3.2.2 TiO_2納米管的形貌分析28-32
• 3.2.3 TiO_2納米管的晶型分析32-33
• 3.3 本章小結33-34
• 4 CuS/TiO_2異質結的制備及光電性能研究34-45
• 4.1 CuS/TiO_2異質結的制備34-35
• 4.1.1 TiO_2電極的制備34
• 4.1.2 CuS/TiO_2異質結的制備34-35
• 4.1.3 CuS/TiO_2基太陽能電池的組裝35
• 4.2 結果與討論35-43
• 4.2.1 填充和轉化動力學分析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 機理分析40-41
• 4.2.6 晶型與吸光度分析41-42
• 4.2.7 光電性能分析42-43
• 4.3 本章小結43-45
• 5 結論與展望45-47
• 5.1 結論45
• 5.2 展望45-47
• 致謝47-48
• 參考文獻48-54
• 附錄54
• A. 攻讀碩士期間發(fā)表的論文54
• B. 攻讀碩士期間所獲獎項54

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本文編號：725736