納米TiO-,2-薄膜電極的制備及其光電化學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，由于對環(huán)境及能源問題的關(guān)注，太陽能的轉(zhuǎn)換和存儲己成為新能源開發(fā)的重要研究領(lǐng)域之一，目前研究的重點之一是太陽能的光電轉(zhuǎn)換，即太陽能電池的研究。其中，ti02由于其較高的熱穩(wěn)定性和光電化學(xué)穩(wěn)定性，是一種具有良好應(yīng)用前景的光陽極半導(dǎo)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(jìn)行各種修飾，以提高其光電轉(zhuǎn)換效率。對Ti02電極進(jìn)行修飾有多種途徑：有機染料的敏化；復(fù)合兩種或以上的半導(dǎo)體材料；貴金屬納米粒子例如Au

2、、Ag或Pt的修飾；導(dǎo)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(jié)構(gòu)和晶型的納米ti02薄膜電極，考察了不同電極的光電化學(xué)性質(zhì)。并通過多種途徑對納米ti02薄膜電極進(jìn)行修飾，如納米Au粒子的修飾、寬禁帶半導(dǎo)體Sn02的修飾及導(dǎo)電聚合物聚吡咯的修飾。論文的主要結(jié)果和結(jié)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(jìn)行修飾。結(jié)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(xué)性質(zhì)。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(jié)果表明納米Au粒子的尺寸為30nm～50nm，當(dāng)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(jù)G'firtner-Buttler理論得出，在0．5mol／LNa2S04溶液中，納

4、米Au／Ti02復(fù)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(fù)合電極的平帶電位負(fù)移了約100mV。這種光電效應(yīng)的提高可通過復(fù)合電極可抑制光生電子一空穴的復(fù)合和改善界面電荷傳遞性質(zhì)來解釋。由于只需吸附少量的納米Au粒子于半導(dǎo)體Ti02電極表面，就可以有效提高電極的光電轉(zhuǎn)換效率，因此這種金屬一半導(dǎo)體復(fù)合膜在光電太陽能電池方面將會有較好的應(yīng)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(tài)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(tài)Ti02薄膜，在500~C時熱處理30min后得到的氧化膜已完全轉(zhuǎn)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(jìn)行納米Au粒子修飾，發(fā)現(xiàn)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(fù)合電極的平帶電位負(fù)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(jìn)行修飾得到了多種復(fù)合薄膜電極。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)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(fù)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(dǎo)體材料的能帶耦合效應(yīng)，使Ti02表面產(chǎn)

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(dǎo)流作用，從而提高了薄膜電極的光電流響應(yīng)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(fā)現(xiàn)，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