一维纳米半导体阵列的光催化聚合及光伏器件的制备研究

【摘要】：随着传统化石能源的消耗,发展新能源已经成为世界性的重点研究课题。将太阳能转变为电能的光伏器件就是其中重要的研究课题之一。在众多的光伏器件中,共轭聚合物/无机纳米半导体杂化太阳能电池结合了有机共轭聚合物的柔性和无机纳米半导体相对高的电子迁移率,因而受到了广泛的研究。 受共轭聚合物/富勒烯衍生物体相异质结的启发,研究者将电子受体材料富勒烯衍生物替换成TiO2和ZnO等无机纳米半导体,制备了共轭聚合物/无机纳米半导体体相异质结光伏电池。然而对于这种传统类型的体相异质结,电子在无机纳米半导体间以跳跃的形式进行传输,增加了复合的几率。同时无机纳米半导体和相对应的电极之间是隔离的,影响了该电极对电荷的收集效率。对于共轭聚合物/无机纳米半导体杂化太阳能电池,有机共轭聚合物和无机纳米半导体之间由于相容性的问题,导致了低的电荷分离效率,严重影响了光伏器件的光电转换效率。 一维无机纳米半导体阵列因为有着直接的电荷传输路径,同时无机纳米材料和电极有着直接的接触,而被认为是一种理想的用于制备光伏器件的结构。光催化聚合是一种新型的聚合方法,由纳米半导体的表面引发聚合一步生成有机／无机复合材料。聚合物和无机半导体之间有着良好的接触,克服了传统的物理共混两相不相容的缺点。 为此,本论文将结合一维无机纳米半导体和光催化聚合的优势,制备共轭聚合物/一维无机纳米半导体复合材料,研究了复合材料的结构和光电性能。同时也研究了光催化聚合在改善无机纳米半导体和共轭聚合物的界面性能中的应用。主要的研究内容和取得的结果如下： 1.通过电化学沉积的方法制备了形貌较好的ZnO纳米棒阵列薄膜。X射线衍射(XRD)结果表明所制备的ZnO纳米棒阵列的晶型为纤锌矿。将此纳米棒阵列薄膜光催化聚合N-乙烯基咔唑(NVK)得到了PVK/ZnO纳米棒阵列复合薄膜。 2.通过水热法制备了Ti02纳米棒阵列薄膜。XRD和Raman光谱表明制备的TiO2纳米棒阵列薄膜为金红石相。从降解有机物和羟基自由基的生成角度研究了TiO2纳米棒阵列薄膜的光催化活性,结果表明所制备的Ti02纳米棒阵列有良好的光催化活性。 3.将TiO2纳米棒阵列薄膜光催化聚合吡咯制备聚吡咯/二氧化钛(PPy/TiO2)纳米棒阵列复合薄膜。Raman光谱研究表明,可以通过光催化聚合时间来控制聚合物PPy的厚度。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,PPy和TiO2之间有着较强的相互作用。进一步的,我们用金红石纳米粒子光催化聚合吡咯制备了PPy/TiO2复合物,然后用电子自旋共振(EPR)研究了PPy与TiO2之间的电荷转移情况,得到了复合物中PPy向TiO2传递电子的直接证据。 4.将光催化聚合得到的PPy/TiO2纳米棒阵列复合薄膜组装了光伏器件,研究了光催化聚合时间对光电性能的影响。 5.以聚3-己基噻吩(P3HT)和TiO2为模型,研究了光催化聚合在改善有机/无机界面性能的作用。通过光催化聚合吡咯对TiO2纳米棒的表面进行修饰,然后通过旋涂的方法制备了P3HT/PPy/TiO2符合薄膜。与P3HT/TiO2对比发现,PPy提高了P3HT向Ti02的电子注入能力,同时能够减少P3HT与TiO2之间的电荷复合几率。通过光催化聚合毗咯对TiO2的表面进行修饰,P3HT/TiO2的光电转换效率提高了77%。 【关键词】：ZnO纳米棒阵列 TiO_2纳米棒阵列 纳米半导体光催化聚合 聚吡咯 光伏器件 界面
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-35
• 1.1 光伏电池的研究现状9-15
• 1.1.1 光伏电池的分类9-11
• 1.1.2 共轭聚合物/无机半导体光伏电池的研究进展11-15
• 1.2 一维半导体的制备与研究现状15-20
• 1.2.1 ZnO一维纳米阵列的制备方法15-17
• 1.2.2 TiO_2一维纳米阵列的制备方法17-19
• 1.2.3 纳米半导体一维阵列在光伏电池中的应用19-20
• 1.3 纳米半导体的光催化聚合反应20-22
• 1.3.1 纳米半导体光催化聚合特点20-21
• 1.3.2 纳米半导体在光催化聚合中的研究现状21-22
• 1.4 本课题的提出和研究内容22-24
• 参考文献24-35
• 第二章 一维纳米半导体阵列的制备与光催化活性表征35-52
• 2.1 引言35-36
• 2.2 实验部分36-38
• 2.2.1 实验材料与仪器36
• 2.2.2 氧化锌纳米棒阵列的制备36-37
• 2.2.3 二氧化钛纳米棒阵列的制备37-38
• 2.2.4 分析测试方法38
• 2.3 结果与讨论38-49
• 2.3.1 氧化锌纳米棒阵列薄膜的形貌38-40
• 2.3.2 氧化锌纳米棒阵列的晶型分析40-41
• 2.3.3 二氧化钛纳米棒阵列薄膜的形貌41-43
• 2.3.4 二氧化钛纳米棒阵列薄膜的晶型43-44
• 2.3.5 二氧化钛纳米棒阵列的光催化活性分析44-46
• 2.3.6 氧化锌纳米棒阵列的光催化活性分析46-49
• 2.4 本章小结49-50
• 参考文献50-52
• 第三章 PPy-TiO_2和PTh-TiO_2纳米阵列复合薄膜的制备与光电性能研究52-73
• 3.1 引言52-53
• 3.2 实验部分53-57
• 3.2.1 实验材料与仪器53
• 3.2.2 PPy-TiO_2与PTh-TiO_2纳米阵列复合薄膜的制备53-54
• 3.2.3 光电转换器件的组装54-55
• 3.2.4 分析测试方法55-57
• 3.3 结果与讨论57-68
• 3.3.1 PPy-TiO_2复合物的表征57-59
• 3.3.2 PPy-TiO_2复合薄膜界面处相互作用研究59-60
• 3.3.3 PPy-TiO_2复合薄膜的紫外可见吸收光谱60-61
• 3.3.4 PPy-TiO_2复合物的EPR分析61-62
• 3.3.5 PPy-TiO_2复合薄膜电极的瞬态光电流工作谱62-64
• 3.3.6 光伏电池PPy-TiO_2的光电转换性能研究64-67
• 3.3.7 光伏电池PTh-TiO_2的光电转换性能研究67-68
• 3.4 本章小结68-69
• 参考文献69-73
• 第四章 P3HT/PPy/TiO_2光伏电池的光电转换和界面性能研究73-89
• 4.1 引言73-74
• 4.2 实验部分74-76
• 4.2.1 实验材料与仪器74
• 4.2.2 光伏器件的制备74-75
• 4.2.3 分析测试方法75-76
• 4.3 结果与讨论76-85
• 4.3.1 光伏器件的光电性能76-79
• 4.3.2 PPy修饰层对界面的影响79-85
• 4.4 本章小结85-86
• 参考文献86-89
• 作者简介89-90
• 致谢90-91

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