納米TiO-,2-薄膜電極的制備及其光電化學性質研究.pdf

1、近年來，由于對環境及能源問題的關注，太陽能的轉換和存儲己成為新能源開發的重要研究領域之一，目前研究的重點之一是太陽能的光電轉換，即太陽能電池的研究。其中，ti02由于其較高的熱穩定性和光電化學穩定性，是一種具有良好應用前景的光陽極半導體材料。但ti02的禁帶較寬、對太陽能的利用率低，因而要對ti02電極進行各種修飾，以提高其光電轉換效率。對Ti02電極進行修飾有多種途徑：有機染料的敏化；復合兩種或以上的半導體材料；貴金屬納米粒子例如Au

2、、Ag或Pt的修飾；導電聚合物如聚吡咯的修飾。 本論文采用熱氧化、陽極氧化、溶膠一凝膠、電沉積等方法制備了不同結構和晶型的納米ti02薄膜電極，考察了不同電極的光電化學性質。并通過多種途徑對納米ti02薄膜電極進行修飾，如納米Au粒子的修飾、寬禁帶半導體Sn02的修飾及導電聚合物聚吡咯的修飾。論文的主要結果和結論如下： 1、利用管式爐熱氧化金屬鈦片法制備了金紅石型Ti02納米薄膜，并用納米Au粒子對薄膜電極進行修飾。結果

3、表明，在650~C熱氧化30min形成的ti02薄膜具有最好的光電化學性質。在此條件下形成的薄膜厚度約為2μm，薄膜表面被大小不等的納米ti02棒所覆蓋，其長為lOOnm～600nm，直徑為90nm～lOOnm。TEM結果表明納米Au粒子的尺寸為30nm～50nm，當薄膜電極表面吸附 3．7gg／cm2納米Au粒子后光電流提高了約1．35倍。根據G'firtner-Buttler理論得出，在0．5mol／LNa2S04溶液中，納

4、米Au／Ti02復合電極和ti02電極的平帶電位分別為-0．66V和-0．56V(vs．SCE)。相對于ti02電極，納米Au／Ti02復合電極的平帶電位負移了約100mV。這種光電效應的提高可通過復合電極可抑制光生電子一空穴的復合和改善界面電荷傳遞性質來解釋。由于只需吸附少量的納米Au粒子于半導體Ti02電極表面，就可以有效提高電極的光電轉換效率，因此這種金屬一半導體復合膜在光電太陽能電池方面將會有較好的應用前景。 2、采用陽

5、極氧化法在金屬鈦片上制備了多孔的非晶態Ti02薄膜，所生長的薄膜呈納米多孔形貌特征，孔徑約為50nm。制備的非晶態Ti02薄膜，在500~C時熱處理30min后得到的氧化膜已完全轉化成銳鈦礦型Ti02薄膜，薄膜均勻，疏松多孔，Ti02晶粒尺寸約為50nm。最后，對熱處理后制備的納米Ti02薄膜電極進行納米Au粒子修飾，發現ti02薄膜電極表面吸附3．9gg／cm2納米Au粒子后光電流提高了約1．45倍。相對于Ti02電極，納米Au／Ti

6、02復合電極的平帶電位負移了約90mV。 3、采用溶膠．凝膠法制備了Ti02／ITO薄膜電極，并用納米Sn02薄膜和納米Au粒子對其進行修飾得到了多種復合薄膜電極。研究發現，復合薄膜電極表面TiO2和Sn02粒子的粒徑較小，均約為50nm～100nm。薄膜表面多孔，粗糙度很高，比表面積較大。該復合薄膜電極有利于光的吸收和光電子．空穴的分離，具有較高的光電流。這主要是由于Ti02／Sn02半導體材料的能帶耦合效應，使Ti02表面產

7、生電子與空穴的有效分離，其上的納米氧化物粒子均勻分散，起到了對空穴和電子的導流作用，從而提高了薄膜電極的光電流響應強度。此外，利用溶膠-凝膠法制備的Ti02仃TO膜電極表面疏松多孔，易于納米Au粒子的吸收。研究發現，把Ti02／ITO膜電極浸入納米Au溶膠8h后，納米Au／Ti02／ITO膜電極的光電流增大到原來的1．4倍。 4、通過電沉積法制備了聚吡咯敏化的Ti02電極。研究了PPy／Pt電極在．0．8V～0．5V(Vs．SC