一維單晶TiO2納米陣列的可控制備及其在太陽能電池中的應用研究.pdf

1、一維有序單晶TiO2納米陣列作為一種重要的無機半導體納米結構,因其獨特的光學和電學特性以及便于電子傳輸?shù)膸缀翁卣鞯葍?yōu)勢,不僅在光催化、光致變色、光伏電池等領域成為人們關注的焦點,而且在鋰電池、傳感器以及微納電子器件等領域也有著廣泛的應用價值。尤其是直接生長在導電襯底上的無支撐自立的一維有序單晶TiO2納米陣列由于直接和收集電極連在一起,有利于提高注入電子的收集效率,可在多種光電器件中應用并提高器件的性能。另一方面,在導電基底上直接生長一

2、維有序單晶 TiO2納米陣列結構,還為制作光電器件提供了便利。但是,由于TiO2的晶體結構的對稱性和ZnO差別很大,使得定向生長有序單晶TiO2納米陣列電極比較困難。本文用一種簡單的水熱合成方法直接在FTO導電玻璃上制備不同長度的一維有序單晶TiO2納米陣列薄膜,并探討了所制備的一維TiO2納米陣列在幾種不同太陽能電池器件中的應用。主要研究內(nèi)容包括：
　　⑴在水熱反應條件和較低的反應溫度下,制備直接生長在FTO導電玻璃上的一維有序

3、單晶金紅石相 TiO2納米線(棒)陣列。通過控制水熱反應的時間和水熱反應循環(huán)的次數(shù),制備不同直徑和長度的一維有序單晶TiO2納米陣列。通過實驗數(shù)據(jù)分析可知, FTO導電基底和四方結構金紅石相TiO2之間的晶格匹配關系是促使TiO2沿[001]方向垂直于FTO基底趨向生長的重要原因。對一維有序單晶TiO2納米陣列的生長過程和反應機理進行了詳細的分析和討論,并研究了在酸性刻蝕條件下TiO2納米線(棒)陣列向TiO2納米管的轉變過程。

4、　?、茖⑺苽涞牟煌Y構的一維有序單晶TiO2納米陣列應用在染料敏化太陽能電池的光陽極中,研究了不同形貌結構的TiO2納米線陣列對染料敏化太陽能電池性能的影響。在納米線長度為2μm,直徑為90 nm時,所制得的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率最高,此時電池的開路電壓為0.65V,短路電流密度為5.75mA/cm2,填充因子為53％,光電轉換效率為2%。通過染料的解吸附實驗,分析了染料吸附量,透光率等因素和染料敏化太陽能電池性能的關系。這

5、為我們進一步制備高質量的TiO2納米陣列結構指明了方向。
　?、窃诹孔狱c敏化太陽能電池中,與TiO2納米顆粒薄膜相比,一維有序TiO2納米陣列結構更有利于量子點在光陽極表面的吸附和電解液的填充。我們將所制得的一維TiO2納米陣列薄膜應用在量子點敏化太陽能電池中,利用連續(xù)離子層吸附和反應的方法在TiO2納米陣列表面沉積CuInS2量子點,研究了不同量子點吸附層數(shù)對電池光電性能的影響。在優(yōu)化吸附層數(shù)和加入緩沖層條件下,CuInS2量子

6、點敏化TiO2納米陣列太陽能電池的開路電壓為0.56V,短路電流密度為4.51mA/cm2,填充因子為41%,光電轉換效率為1.06%。展示了比CuInS2量子點敏化TiO2納米顆粒薄膜更高的能量轉換效率,證明了一維有序單晶TiO2納米陣列優(yōu)異的電荷傳輸性能。
　?、仍谀z體量子點光伏器件中,一維有序單晶TiO2納米陣列可以用來作為電子接受電極;利用一維有序單晶TiO2納米陣列除了可以為光生電子-空穴對提供必需的分離界面外,還可以為

7、分離后的載流子提供傳輸?shù)绞占姌O的直接通道,從而提高激子的分離和收集效率。我們把合成的一維有序單晶TiO2納米陣列應用在膠體量子點太陽能電池中,利用量子點原位合成和薄膜沉積技術,構筑耗盡體相異質結構的CuInS2膠體量子點太陽能電池。研究了基于一維TiO2納米陣列的體相異質結的構筑方法及其光電性能,詳細考察了一維有序單晶TiO2納米陣列電極對耗盡體相異質結結構復合薄膜光電性能的影響,對納米尺度范圍內(nèi)表界面間光生電荷的分離、傳輸過程和機理