半導(dǎo)體納米陣列表界面設(shè)計及其在太陽能轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用研究.pdf

1、現(xiàn)今能源和環(huán)境問題尤為突出，尋找清潔可持續(xù)的替代能源以及高效無污染的能源轉(zhuǎn)換方式成為了當(dāng)前科學(xué)研究的重要課題。太陽能作為清潔、豐富且廣泛的能源可通過太陽能-電能和太陽能-化學(xué)能等多種轉(zhuǎn)化形式得到有效利用。近年來納米材料的發(fā)展和研究給太陽能轉(zhuǎn)換以新的生機。由于其潛在的理論和實際應(yīng)用價值，納米材料在太陽能轉(zhuǎn)換方面扮演著越來越重要的角色。其中，納米陣列材料在電子傳輸、光學(xué)吸收等方面具有突出的優(yōu)勢，為發(fā)展高效利用和轉(zhuǎn)換太陽能帶來了新的契機。表界

2、面的設(shè)計對于催化性能、載流子傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)化作用開始受到重視。但是一些作用機制不明以及應(yīng)用研究的不足制約著納米陣列材料的發(fā)展。
　　本論文基于“自上而下”和“自下而上”的制造合成方法制備無機納米陣列結(jié)構(gòu)，并通過表界面的表面懸鍵、助催化劑、等離激元的設(shè)計調(diào)控表界面狀態(tài)以研究表界面調(diào)控對于光驅(qū)動催化反應(yīng)過程的影響，以及等離激元效應(yīng)在光電器件的作用。本論文中，我們根據(jù)太陽能轉(zhuǎn)換中的性能表現(xiàn)和表界面之間的構(gòu)效關(guān)系來進一步研究作用的機理，具

3、體的是通過調(diào)控表面懸鍵狀態(tài)來研究表面懸鍵在光催化中的作用機制;通過調(diào)控納米陣列表面助催化劑以調(diào)控表面電子狀態(tài)，并研究其對光驅(qū)動催化反應(yīng)的影響;通過調(diào)控化學(xué)反應(yīng)環(huán)境以研究其對光電催化氧化反應(yīng)的影響;在光伏器件中引入等離激元效應(yīng)，研究熱電子在光伏器件中的作用機制。所取得的主要研究成果如下:
　　1.發(fā)展了選擇性調(diào)控硅納米線表面懸鍵類型和數(shù)量的方法，在純水體系中研究了不同表面懸鍵在光催化水分解中的作用以及相關(guān)機制。表面修飾Si-H鍵的硅

4、納米線的光催化水分解產(chǎn)生氫氧比高于2，通過光電測試及紅外光譜等驗證了光生載流子的分離、壽命與表面懸鍵的關(guān)系，以及推測出表面懸鍵Si-H鍵、Si-OH鍵在光催化中的相關(guān)作用。通過模擬光催化的反應(yīng)路徑，我們推測出Si-H表面發(fā)生光催化的反應(yīng)為:Si(h+)+Si-H(e-)+H2O→Si-OH+Si+H2。通過實驗手段可以理性地調(diào)變硅納米線的表面懸鍵狀態(tài)以調(diào)控其光催化制氫性能，為開發(fā)高效硅基光催化劑提供了新的表面工程思路。
　　2.以

5、硅納米線及表面修飾貴金屬Pd和Pt共催化劑為體系，利用硅納米線表面懸鍵進行原位光驅(qū)動有機催化加氫反應(yīng)，通過鈀和鉑的構(gòu)建以調(diào)控硅納米線表面電子狀態(tài)，研究表面電子狀態(tài)對于光驅(qū)動有機加氫、有機氧化反應(yīng)等反應(yīng)轉(zhuǎn)換率及選擇性的影響。另外以介孔硅納米線為研究體系，研究介孔硅納米線活化氧分子的特性對于光驅(qū)動有機氧化反應(yīng)的影響。為利用硅納米結(jié)構(gòu)表界面設(shè)計用于光驅(qū)動有機反應(yīng)的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　3.以BiVO4納米介孔陣列結(jié)構(gòu)、具有等離激元的Ag

6、納米片和析氧反應(yīng)催化劑Co(OH)2為體系，利用BiVO4進行光電催化丙三醇的選擇性氧化轉(zhuǎn)換，研究了溶液pH值和偏壓對光電催化有機反應(yīng)的選擇性的影響，結(jié)果證明在酸性條件下(pH=2)二羥基丙酮和高值產(chǎn)物的產(chǎn)率和選擇性、法拉第效率都是最高的，可以得到二羥基丙酮選擇性達50％，產(chǎn)率達55.92mmol/g/h的催化效果(1.2V vsRHE，H型電解槽)。H+的濃度影響了反應(yīng)路徑、產(chǎn)物的選擇性，外加偏壓可以更好的增加載流子分離能力、增大電流

7、密度，并不影響反應(yīng)路徑選擇。另外，研究了在中性反應(yīng)液中貴金屬納米結(jié)構(gòu)的等離激元效應(yīng)以及Co(OH)2材料對其催化性能的影響。為實現(xiàn)太陽能高效選擇性催化氧化反應(yīng)生產(chǎn)高值化工制品奠定了研究基礎(chǔ)。
　　4.以N型硅納米線-PEDOT∶PSS（聚（3，4-亞乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸））無機有機異質(zhì)結(jié)型光伏器件和N型硅納米線-rGO（還原氧化石墨烯）肖特基型光伏器件為體系，研究了在近紅外區(qū)域具有等離激元的金屬Ag納米片增強近紅外區(qū)域的

8、光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率的作用機制，并設(shè)計了以此機制構(gòu)建的柔性光伏器件。金屬Ag納米片在近紅外區(qū)域激發(fā)等離激元，產(chǎn)生熱電子，發(fā)現(xiàn)當(dāng)銀納米片直接接觸N型硅納米線時，即熱電子直接注入到硅的導(dǎo)帶中時，可以使得光伏轉(zhuǎn)換效率額大幅提高，尤其是在近紅外區(qū)域有著明顯提升，以800nm處為例，提高了59％。通過分別構(gòu)建N型和P型硅納米線基光伏器件，分析了等離激元熱電子增強效應(yīng)在光伏器件中的作用機制?；谶@一機制，我們通過微納加工手段制備了柔性的近紅外效率增