ZnO摻雜和MoS2表面修飾在太陽能光催化分解水和太陽能電池方面的理論研究.pdf

1、能源危機和環(huán)境污染是當今世界面臨的兩大難題，太陽能作為清潔、可再生能源受到了人們的廣泛關注。太陽能光催化分解水制氫和太陽能電池是有效開發(fā)和利用太陽能的重要途徑。對于光催化分解水而言，半導體光催化劑是決定光催化活性的關鍵，理想的半導體光催化劑應具有穩(wěn)定的結構、合適的帶隙大小和帶邊位置、能有效的抑制電子-空穴的復合等特點。然而，到目前為止，很少有半導體能同時滿足這些要求，尋找和合成理想的半導體光催化劑是太陽能分解水制氫的熱門話題。在太陽能電

2、池中，染料敏化太陽能電池由于工藝簡單、價格便宜、轉換效率高等優(yōu)點而受到人們的青睞。發(fā)展高性能的光陽極半導體薄膜、光譜響應寬穩(wěn)定性好的染料敏化劑是提高太陽能染料敏化電池性能的重點。本文基于第一性原理密度泛函理論方法，研究了ZnO、MoS2的穩(wěn)定性、能帶結構等性質，通過摻雜和表面分子修飾的方法實現(xiàn)其在光催化制氫和染料敏化太陽能電池中的應用。本研究主要內容包括：
　?、抨?陽離子共摻雜調節(jié)ZnO能帶結構以提高其光催化活性。ZnO由于帶隙

3、過寬，光吸收只局限在太陽光的紫外區(qū)域。為了提高其光催化活性，需減少ZnO的帶隙，使其在可見光區(qū)域的光吸收增強。我們提出了陰-陽離子共摻的方式，該方法不但可以有效減小ZnO的帶隙，而且可通過n型和p型摻雜物之間強庫侖作用增強體系的穩(wěn)定性。計算結果進一步揭示，（Ti+C）補償共摻、(Sc+C)、（Cr+C）非補償共摻的ZnO由于具有合適的帶隙、少量的電子-空穴復合中心、與水的氧化還原勢相匹配的帶邊位置、增強的可見光光吸收和穩(wěn)定的結構，被認為

4、是理想的水分解制氫的光催化劑。
　?、频葍r陰-陽離子共摻調節(jié)ZnO能帶結構以提高其光催化活性。針對單摻雜和非補償共摻雜引入的雜質帶可能導致形成新的復合中心不利于光催化活性的問題，我們進一步提出了等價陰-陽離子共摻ZnO的方法。計算結果表明，該方法不僅能有效降低ZnO的帶隙，而且不會形成深雜質能級和部分占據(jù)能級，因此能有效抑制電子-空穴的復合。其中(Cd+Te)摻雜的ZnO由于具有合適帶隙和帶邊位置被認為是較好的水分解制氫的光催化劑

5、。這種等價陰-陽離子共摻的方法也可以用來調節(jié)其它寬帶隙半導體材料的能帶結構。
　　⑶表面修飾調節(jié)單層MoS2的能帶結構以實現(xiàn)其光催化分解水制氫的活性。單層MoS2是帶隙為1.8 eV的直接帶隙半導體，能有效吸收太陽光，但其導帶底位置低于制氫的還原勢，限制了MoS2在光催化分解水制氫方面的應用。我們的研究表明，表面吸附極性分子能改變MoS2的帶邊位置，這主要來源于極性分子本身的電偶極矩和表面吸附所誘導的界面處的電偶極矩。改變表面分子

6、覆蓋率、對極性分子進行功能化處理以及襯底作用都會對MoS2的帶邊位置產(chǎn)生一定影響。其中，三層C6H5CH2NH2/MoS2/graphene的異質結構能滿足光催化水分解的要求被認為是理想的光催化劑。
　?、扔袡C分子修飾的MoS2在染料敏化太陽能電池中的應用。為了解MoS2在染料敏化太陽能電池中應用的可能性，我們選擇了合適的有機染料分子吸附在其表面。研究結果表明，苯基共軛的寡烯染料分子D1、D2和D3能有效吸附在MoS2表面，分子的