一種新型多孔二氧化鈦(P-TiO2)及其改性后的光伏特性研究.pdf

1、太陽(yáng)能是一種可再生的資源,具有清潔、環(huán)保且含量巨大等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論是在通過(guò)光電轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)化石能源上,還是應(yīng)用于光催化或者是一些光敏電子器件上,太陽(yáng)能都具有非常巨大的潛力。雖然光能利用的現(xiàn)象已經(jīng)十分的常見(jiàn),且太陽(yáng)能電池和光催化也已經(jīng)有了商業(yè)上的用途,然而光被材料吸收后,人們?cè)谘芯抗馍姾傻膫鬏敊C(jī)制上一直都沒(méi)有形成完整的結(jié)論。因此,如果能夠探明材料內(nèi)光生電荷的傳輸方式,甚至能夠人工調(diào)控材料內(nèi)部的光生電荷的傳輸方向,那么將對(duì)光能的利用,尤

2、其是光催化反應(yīng)都具有重要的意義。本文對(duì)一種具有無(wú)序孔道結(jié)構(gòu)的新型棒狀TiO2(P-TiO2)材料進(jìn)行了表面光電壓譜(SPS)和場(chǎng)誘導(dǎo)表面光電壓譜(FISPS)研究,并與納米TiO2材料P25進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)當(dāng)沒(méi)有外加誘導(dǎo)電場(chǎng)的時(shí)候,在370-520 nm的入射光范圍內(nèi),P-TiO2表現(xiàn)出了非同一般的表面態(tài)光電壓響應(yīng)強(qiáng)度,這是其制備過(guò)程所產(chǎn)生的十分豐富的表面態(tài)所造成的結(jié)果。當(dāng)施加+0.5 V外加誘導(dǎo)電場(chǎng)的時(shí)候,由于表面態(tài)能級(jí)所能接受的光生

3、電子躍遷數(shù)量達(dá)到飽和,沒(méi)有表現(xiàn)出與帶-帶躍遷相似的光電響應(yīng)強(qiáng)度。而施加-0.5 V的外加誘導(dǎo)電場(chǎng)時(shí),大量表面態(tài)能級(jí)對(duì)躍遷的光生電子產(chǎn)生了很好的“定域效應(yīng)”,使得光生電荷的壽命大大延長(zhǎng)。然后,我們對(duì)P-TiO2進(jìn)行了不同比例(2％,5%)的Fe3+離子摻雜,再對(duì)其進(jìn)行光伏特性的研究。Fe3+的摻雜在P-TiO2的體相內(nèi)部產(chǎn)生了許多雜質(zhì)能級(jí),同時(shí)也提供了大量的復(fù)合中心。這都會(huì)使P-TiO2表面態(tài)所能定域的電子減少,從而減弱相應(yīng)的的光伏響應(yīng),

4、且隨摻雜比例的增高而更加明顯。Fe-P-TiO2在外加誘導(dǎo)電場(chǎng)下的變化與P-TiO2相似,2%Fe-P-TiO2只是表面態(tài)光伏響應(yīng)減弱。而對(duì)于5%Fe-P-TiO2由于摻雜比例較高,雜質(zhì)能級(jí)中被捕獲的自由電子的去捕獲現(xiàn)象也增多,并在濃度梯度效應(yīng)和負(fù)向誘導(dǎo)電場(chǎng)的共同作用下,使得“自建電場(chǎng)”方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。此外,我們還研究了P-TiO2被酞菁銅(PcCu)敏化后的光生電荷行為。發(fā)現(xiàn)酞菁銅的離域電子與P-TiO2中具有“定域作用”的表面態(tài)會(huì)產(chǎn)生

5、相互作用,從而導(dǎo)致P-TiO2的表面態(tài)“失活”,使得表面態(tài)躍遷的光伏響應(yīng)消失。當(dāng)入射光波長(zhǎng)為410 nm時(shí),由于體相能級(jí)躍遷消失和染料激發(fā)電子向半導(dǎo)體注入,導(dǎo)致敏化的P-TiO2的帶彎反轉(zhuǎn),相應(yīng)的410 nm后的光生電荷分離傳輸方向與410 nm前的完全相反。外加誘導(dǎo)電場(chǎng)的研究表明,當(dāng)施加+0.5 V外加誘導(dǎo)電場(chǎng)時(shí),強(qiáng)度增大的“自建電場(chǎng)”可以有效地分離體相能級(jí)躍遷以及染料注入的光生電荷,從而產(chǎn)生較強(qiáng)的光伏響應(yīng),體現(xiàn)了很好的敏化效果。當(dāng)施