光催化聚合反應(yīng)制備一維納米結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換薄膜的研究.pdf

1、能源是社會(huì)持續(xù)發(fā)展保障。然而，傳統(tǒng)的化石能源越來越無法完全滿足人類的需求;同時(shí)，大量消耗化石能源給地球帶來了各種難以估量的環(huán)境污染問題。面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，人們開始尋求可以替代的新能源，其中太陽能作為“永不枯竭”且“絕對(duì)清潔”的一項(xiàng)新能源，受到了熱烈的追捧和廣泛的研究。這即是研究開發(fā)光伏器件的時(shí)代背景。
　　在各類光伏器件中，無機(jī)半導(dǎo)體-共軛聚合物雜化的電池材料制備成本低廉、生長能耗低、二次污染小、適合于制造柔性器件，同時(shí)有大量無機(jī)半

2、導(dǎo)體以及共軛聚合物可供選擇?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，該電池技術(shù)近年來得到了快速的發(fā)展。
　　針對(duì)無機(jī)半導(dǎo)體-共軛聚合物光伏電池，當(dāng)光照激發(fā)材料從而得到光生激子之后，經(jīng)歷光生電荷的分離與傳輸?shù)冗^程后，最終將光能轉(zhuǎn)換成電能，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的目的。為了減少光生電荷因復(fù)合而導(dǎo)致的能量損失，需要提高分離效率與電荷傳輸?shù)乃俾?。從材料角度考慮，可以予以改善的是復(fù)合材料的界面性質(zhì)。為此，可以采取的措施如下:第一，通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行提高界面的相互作用以及接

3、觸面積，從而提高電荷的分離效率;第二，在復(fù)合材料界面建立快速有效的電荷傳輸通道，降低電荷反向傳輸?shù)膸茁?，從而降低電荷的?fù)合并最終提高光電轉(zhuǎn)換性能。
　　為此，本論文采用光催化聚合的方法制備了一維納米材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料并利對(duì)復(fù)合材料組裝的光電器件的光伏性能進(jìn)行了研究，同時(shí)還研究了復(fù)合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。主要的研究內(nèi)容和取得的結(jié)果如下:
　　1.采用TiO2粉體（Degussa，牌號(hào)為P25）成功地光催化引發(fā)噻吩的聚合，從而制備了二氧

4、化鈦-聚噻吩（簡記為P25-PTh）納米復(fù)合產(chǎn)物，這是采用光催化聚合的方法得到的新型材料。通過旋涂的P25薄膜進(jìn)行光催化引發(fā)，得到了在可見光區(qū)有明顯吸收的復(fù)合物薄膜;通過對(duì)SEM、AFM的分析表明，光催化聚合后薄膜表面更加平整，由此證明了該反應(yīng)為在基底表面的原位聚合。
　　2.應(yīng)用Raman與XPS等方法研究了P25-PTh納米復(fù)合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，復(fù)合產(chǎn)物中TiO2與PTh之間發(fā)生了強(qiáng)的相互作用，從而導(dǎo)致了S、O元素電子

5、能譜發(fā)生了明顯的變化，這是由于復(fù)合產(chǎn)物界面處存在Ti-S等形式的化學(xué)鍵導(dǎo)致的。
　　3.合成了ZnO納米一維陣列。以之為模板，采用液相沉積法成功制備了一維TiO2納米陣列。發(fā)現(xiàn)得到的一維TiO2納米陣列為銳鈦礦型，并且得到的陣列為納米管與納米棒的混合體，納米管的形成歸因于TiO2生長過程中伴隨的ZnO酸化溶解過程。
　　4.應(yīng)用上述一維TiO2納米陣列光催化引發(fā)噻吩聚合，合成了新型的一維TiO2-PTh（簡稱為“1D TiO

6、2-PTh”）復(fù)合物薄膜。研究形貌發(fā)現(xiàn)，提高光催化聚合時(shí)間，TiO2陣列的孔隙被逐漸填充。我們還測定了復(fù)合物薄膜電極的瞬態(tài)光電流，結(jié)果顯示當(dāng)孔隙恰好被填充時(shí)，復(fù)合物薄膜電極的光電流最大。
　　5.利用所制備的1D TiO2-PTh復(fù)合薄膜組裝了光伏電池并分析了該器件的光電轉(zhuǎn)換性能。結(jié)果表明，該器件在紫外區(qū)以及可見光區(qū)均有明顯的光響應(yīng)。十分重要地，該器件的填充因子較大(＞0.6)，這一結(jié)果來源于一維陣列能夠快速轉(zhuǎn)移電子的特性。

7、>　　為了比較，我們還采用普通旋涂法制備了TiO2一維陣列與聚噻吩復(fù)合的光伏器件。比較結(jié)果表明，光催化聚合的光伏器件的光電轉(zhuǎn)換性能是普通旋涂法的2倍，充分說明了光催化聚合方法的技術(shù)優(yōu)勢。分析認(rèn)為，這一性能的提高歸功于光催化聚合產(chǎn)物中強(qiáng)的相互作用以及更高的孔隙填充率。
　　6.采用溶膠-凝膠法在碳納米管表面進(jìn)行了ZnO的生長，并進(jìn)一步用光催化聚合的方法引發(fā)了NVK與MA的共聚，從而制備得到了具有三元復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料。該復(fù)合物由