納米晶TiO2半導體材料的可控制備與光電化學性能研究.pdf

1、國內圖書分類號：TM23TM914.4學校代碼：10213國際圖書分類號：620密級：公開工學博士學位論文工學博士學位論文納米晶TiO2半導體材料的可控制備與光電化學性能研究博士研究生：馬清導師：翁履謙教授申請學位：工學博士學科：材料學所在單位：深圳研究生院答辯日期：2012年5月授予學位單位：哈爾濱工業大學摘要I摘要高效率的太陽能電池制備技術是太陽能有效利用的核心和關鍵。由于成本低廉、結構簡單、易于制造、光電轉化效率高以及對溫度和光強

2、度變化敏感度低等諸多優點，染料敏化太陽能電池(DSSC)已成為具有良好應用前景的新型太陽能裝置并成為太陽能電池研究的前沿和熱點。在染料敏化太陽能電池中，納米晶光陽極材料的形貌與結構及電池構型的設計是決定太陽光的高效吸收與載流子的高效傳輸并獲得高性能染料敏化太陽能電池的關鍵。目前，二氧化鈦(TiO2)是DSSC中研究最為成功的光陽極半導體材料之一。由于銳鈦礦相的導帶邊緣較高，因而，在TiO2的三種晶型中（銳鈦礦、金紅石和板鈦礦），高度結晶

3、的銳鈦礦相更適合于染料敏化太陽能電池的應用。然而，銳鈦礦相TiO2禁帶寬度約為3.2eV及對太陽光的吸收率僅為3~5%而嚴重限制了其應用范圍。本論文重點探討了TiO2納米管陣列的可控制備和系統研究了過程工藝參數對TiO2納米管陣列的表面形貌、結構（微觀和晶體）、相轉變、結晶度以及禁帶寬度等方面的影響規律及相關機理。在此基礎上，本論文從提高載流子遷移效率的角度出發，將TiO2納米管陣列與有序介孔薄膜組成具有復合納米結構的DSSC光陽極，并

4、進一步深入研究了退火氣氛、溫度以及具有不同構型的光陽極結構對DSSC光電轉化效率的影響，從而實現了對納米晶TiO2結構和性能的可控。本論文的主要研究工作和結論如下：1)系統研究了退火氣氛(O2、N2、5%H295%N2、NH3)與溫度對溶膠凝膠法制備的TiO2有序介孔薄膜的形貌和相結構影響。TiO2有序介孔薄膜在N2氣氛中450℃退火晶化處理后表現出更高的結晶度和光催化性能。通過退火氣氛與溫度的調節，實現了對TiO2有序介孔薄膜介孔結構

5、和晶型及其光致發光和光催化等性能的有效控制。2)制備出管長、管徑與管壁厚度可控的高度有序TiO2納米管陣列，分析了納米管形貌，尤其是管壁厚度對TiO2相轉變以及禁帶寬度和光催化性能的影響。一定范圍內，納米管長度的增加和管壁厚度的降低有利于光催化性能的改善，而管壁厚度的降低能在一定程度上抑制銳鈦礦金紅石相轉變動力學。3)在Cu30Ti70合金基體上制備出Cu摻雜CuTiO納米管陣列。Cu摻雜降低了CuTiO納米管陣列的禁帶寬度，提高了光催