TiO2/CdSe复合光电极的制备及性能研究

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随着化石能源的日益枯竭,开发新能源成为世界各国研究的热点。光伏发电作为太阳能利用的一个重要方面,受到人们的广泛关注。本文首先对太阳能电池的工作原理、分类等进行了综述,然后主要研究了CdSe敏化TiO2基太阳能电池光阳极的制备,并对所制得的电极性能进行了测试与研究。采用不同方法制备了不同形貌和性能的CdSe纳米颗粒(NP)薄膜、纳米线(NW)和TiO2纳米颗粒(NP)薄膜、纳米棒阵列(NR),研究了所得TiO2/CdSe光电极的性能,以获得性能较优的CdSe敏化TiO2光电极。主要研究内容和结果如下:1、采用旋涂法在ITO导电玻璃上制得TiO2(NP)薄膜,经退火处理后在其表面使用电化学循环伏安法沉积得到CdSe(NP)薄膜,构建单层TiO2/CdSe光电极。400度退火可明显提高CdSe的结晶性能,并且可以提高所得光电极的光电化学性能。在单层TiO2/CdSe结构的基础上重复上述制备过程,设计并制得(TiO2/CdSe)n多层体系结构,(其中n=1,2,3,4),研究了多层膜体系的微观结构、光电化学性能及外量子效率。结果表明CdSe主要沿着(111)方向生长。随着层数的增加,样品在可见光的吸收强度有明显提高;二层膜体系对应样品的光电化学性能最优。多层膜体系的光电响应灵敏,性能稳定。对比了TiO2/CdSe光电极中沉积不同厚度CdSe(NP)薄膜所得样品与多层膜机构的光电化学性能,结果发现单纯的增加CdSe的厚度并不能达到二层体系的效果。2、采用恒电流密度法在TiO2(NP)薄膜表面沉积制得CdSe(NW),所得纳米线禁带宽度Eg=2.1eV,吸收波长发生蓝移。研究了不同沉积时间下所得样品的形貌、光学、和光电化学性能。结果表明沉积时间的延长可以提高所得样品的紫外可见吸收,且样品的光电化学性能也随着时间的延长而提高。所有样品中最高QE值达到14%。3、采用一种简单的水热方法在FTO玻璃表面制备了TiO2(NR)阵列,研究了水热制备条件对所得TiO2(NR)阵列形貌的影响。最后确定制备条件为:0.16ml钛酸四丁酯、6ml去离子水、6ml浓盐酸(35%wt),反应温度150℃,反应时间2h。然后在此条件制备的TiO2(NR)阵列上采用循环伏安法沉积不同厚度CdSe(NP)薄膜,研究了所得光电极的吸收光谱及光电化学性能。所得样品最大光电流密度为0.18mA,开路电压为-0.51V,QE值为43.4%。4、在TiO2(NR)上恒电流密度沉积不同时间制得CdSe(NW)。沉积时间5min时所得TiO2/CdSe光电极的光电化学性能最好,其光电流密度为0.15mA,开路电压为-0.53V,QE值为27%。5、对TiO2(NP)薄膜与TiO2(NR)上循环伏安法沉积不同厚度CdSe(NP)薄膜样品的性能进行了比较。结果表明随着CdSe沉积厚度的增加,TiO2(NR)与TiO2(NP)薄膜相比优势十分明显。实验中沉积圈数为20圈和30圈时两者性能差别很小,TiO2(NP)薄膜有略微的优势,但当沉积圈数增加到40圈以上时,TiO2纳米棒光电化学性能明显优于TiO2(NP)薄膜。
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