新型發(fā)光和光電材料的電化學.pdf

1、本論文的工作圍繞著開發(fā)和利用二元半導體納米材料的發(fā)光和光電性能，主要進行了兩大方面的工作：(Ⅰ)電化學制備和表征納米CdS微粒膜，CdS/PANI復合膜、CdS納米線和CdS/PANI同軸納米電纜，重點利用熒光光譜研究了其光致發(fā)光性質，同時探討了這些體系的發(fā)光增強機理；(Ⅱ)利用固態(tài)氧化還原聚合物和納米半導體構筑新型固態(tài)光伏電池，并對光伏電池的光電轉換性能進行了初步的研究和探討。具體研究內容如下： 一、采用電化學方法制備納米Cd

2、S微粒膜，并研究了不同制備條件對微粒膜表面形貌和結構的影響 在金膜和對氨基苯硫酚(PATP)修飾的金基底上制備得到的CdS微粒膜的表面形貌和結構不同，Au膜上CdS納米微粒呈粒狀生長；在PATP/Au膜上，CdS納米微粒呈棒狀生長，棒的直徑～50nm，長度～300nm；紫外—可見吸收光譜表明在兩種基底上沉積的CdS都表現(xiàn)出量子尺寸效應。采用電流脈沖法制備CdS微粒膜，發(fā)現(xiàn)不同的脈沖寬度和電流密度對CdS微粒膜的表面形貌有明顯的影

3、響。脈沖寬度增大，直徑稍變大，長度顯著增長，且某些棒之間會發(fā)生交聯(lián)；隨著脈沖幅度的增大，CdS納米顆粒團聚體的尺寸增大，CdS納米顆粒的覆蓋度也增大。電沉積過程的研究和表面形貌圖表明，納米CdS微粒膜的電沉積過程為：初期先在電極表面形成金屬Cd，Cd與PATP直接相連，之后CdS分子在金屬Cd上生長，數(shù)個CdS分子形成一個CdS晶核后沿著垂直于基底表面生長成為CdS納米晶，在同一個Au微粒上的CdS納米晶聚集成為直徑～50nm的納米棒。

4、 二、利用電沉積制備了CdS/PANI復合膜和CdS/PANI同軸納米電纜，并研究了CdS/PANI體系的光致發(fā)光(PL)性質，提出新的光致發(fā)光增強機理。 在復合膜中，CdS納米顆粒在PANI表面形成島狀的聚集體，尺寸約為20nm；其吸收的啟動(onset)波長與塊體材料相比有所藍移，表現(xiàn)出量子尺寸效應，說明雖然納米CdS顆粒聚集成島狀結構，但在光吸收性質上表現(xiàn)為小顆粒的性質。紅外光譜和XPS譜圖都表明，CdS納米顆粒與

5、PANI之間存在相互作用。用多孔陽極氧化鋁為模板制備了CdS納米線和CdS/PANI同軸納米電纜。在同軸納米電纜中，內層CdS納米線的尺寸約為40nm，PANI管的外徑約90nm。其拉曼光譜顯示了CdS和PANI的振動特征，其吸收光譜也顯示了CdS和PANI的吸收特征。 三、Nafion型氧化還原聚合物及其“三明治”型固態(tài)電池體系的制備和電荷傳輸性能研究 制備得到的Nafion膜的厚度約十幾個微米，Nafion膜中可交換得

6、質子位濃度為～0.12mol/L。Nafion膜在干態(tài)的情況下，ITO/Nafion[Fe(bpy)32+]/Au和ITO/Nafion[Ru(bpy)32+]/Au“三明治”型的固態(tài)電池的Dct在數(shù)量級上相同，它們具有相似的電荷輸運性能。固態(tài)電池的電子擴散系數(shù)Dct與兩個因素相關：一個是Nafion膜中氧化還原位的濃度C0，隨著C0的增大，Dct也增大；另一個因素是膜的微結構，包括膜的制備方法和含水量。在ITO/Nafion[Ru(b

7、py)32+]/Au固態(tài)電池中，電荷的輸運與在電解質溶液中工作的化學修飾電極不同，氧化過程和還原過程都包含了電子跳躍和物理擴散，氧化過程受到電子跳躍的影響較大，而物理擴散對還原過程的影響較大。電子的跳躍以濃度梯度為驅動力，氧化還原位在電極的界面捕捉電子或空穴，通過氧化還原位鏈輸運電子或空穴。 四、利用納米半導體電極TiO2/ITO和CdS/ITO作為光電極，將Nafion型的氧化還原聚合物作為固體電解質，構筑了ITO/TiO2/N

8、afion[Ru(bpy)32+]/Au、ITO/TiO2/Nafion[Fe(bpy)32+]/Au、ITO/CdS/Nafion[Fe(bpy)32+]/Au和ITO/CdS/Nafion[Ru(bpy)32+]/Au等一系列固態(tài)光伏電池，并對其光電轉換性能進行初步表征。 我們發(fā)現(xiàn)本論文中所用的光電極材料與Nafion型氧化還原聚合物中的氧化還原位在能級上是匹配的，而且可以達到較高的開路光電壓。利用TiO2作為光電極，由于受