水热法制备氧化钛纳米棒阵列结构及其光电性能研究

【摘要】一维纳米棒相比于纳米颗粒来说,沿轴向方向电子迁移率要高一个数量级,而在基底上有序排列的纳米棒相比于杂乱堆积的纳米棒电学性能更佳。因此采用由一维纳米棒组成的阵列结构作为光阳极对于提高电池的电流密度和光电转换效率非常有利。本文的工作即围绕导电玻璃基底上生长氧化钛一维纳米棒阵列结构展开,主要包括两个方面,水热合成金红石纳米棒阵列以及水热合成锐钛矿纳米棒阵列。在水热合成金红石阵列过程中,考察了对基底进行晶种预处理对所获产物的影响。在晶种的诱导作用下,水热合成的金红石阵列在形貌均一性和致密性方面均获得了改善。染料敏化太阳能电池的性能测试表明,经过晶种预处理后水热获得的阵列光电转换效率高于未进行晶种诱导生长的参比样。与金红石阵列相比,一维锐钛矿阵列由于其合适的禁带宽度和更快的电子传输效率,在太阳能电池应用中更受青睐。在水热合成锐钛矿阵列部分,水热前对基底进行晶种层预处理是获得最终单晶锐钛矿纳米棒阵列的关键。晶种的存在减少了锐钛矿阵列与基底间的晶格失配。通过对反应参数的调控,可以获得厚度约2.3μm的阵列膜层。同时,本文还提出了关于晶种诱导阵列生长的新的生长机制,即“晶种刻蚀-再结晶-取向生长”机制。对阵列进行光电性能测试,2.3μm厚的阵列膜层做光阳极时染料敏化太阳能电池的效率为2.1%,优于同样厚度的由纳米颗粒组成的光阳极。此外,本文还探索了不同形貌的氧化钛纳米颗粒做光阳极对电池性能的影响。结果发现,比表面积大的“蝴蝶结”状氧化钛电化学性能最佳。最后,温和条件下制备获得黑色氮掺杂氧化钛与碳的纳米复合物,由于存在氮掺杂和碳包覆共同作用,该氧化钛的吸收谱拓展到整个可见光。因此,在可见光下即对亚甲基蓝有明显的光催化作用。
【作者】王佳；
【导师】王智宇；
【作者基本信息】浙江大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】染料敏化太阳能电池；氧化钛光阳极；一维氧化钛阵列；水热合成；晶种层；

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