化学浴制备全固态Sb2S3敏化TiO2纳米棒阵列太阳电池研究

TiO2纳米管阵列的制备及其光催化性能研究近年来，TiO2纳米管阵列因其高催化性能和广泛的应用领域备受关注。

TiO2纳米管阵列作为一种新型、高效的催化材料，在环境净化、光电催化等领域有着广泛的应用前景。

本文将详细介绍TiO2纳米管阵列的制备方法及其光催化性能研究进展。

一、TiO2纳米管阵列的制备方法TiO2纳米管阵列可以通过多种方法制备，例如电化学阵列氧化法、离子注入法、水热法等。

其中电化学阵列氧化法是最为常用的制备方法之一。

电化学阵列氧化法可以通过三电极系统来制备，即工作电极、对电极、参比电极。

通常情况下，纳米管的直径、长度和间距可以通过改变电解液成分、电解电压、电解时间和电极距离等参数来控制。

采用此法制备的TiO2纳米管阵列在表面形貌和催化性能方面均有优异的表现。

二、TiO2纳米管阵列的光催化性能研究进展TiO2纳米管阵列的光催化性能主要表现在光催化净化和光电催化等方面，其研究进展如下：1. 光催化净化TiO2纳米管阵列的光催化净化主要指利用其优异的催化性能去除水和空气中的有害物质。

研究表明，TiO2纳米管阵列具有优异的催化性能，可以有效去除水中的有机污染物和空气中的氮氧化物等有害物质。

2. 光电催化TiO2纳米管阵列的光电催化主要利用光伏效应和催化反应，将太阳能转化为化学能，用于水分解、CO2还原等反应中。

研究表明，TiO2纳米管阵列可以在可见光区域内催化反应，同时具有良好的稳定性和周期性反应能力。

三、结论TiO2纳米管阵列作为一种新型的催化材料，在环境净化、光电催化等领域有着广泛的应用前景。

其制备方法主要包括电化学阵列氧化法、离子注入法、水热法等。

TiO2纳米管阵列的光催化性能主要包括光催化净化和光电催化，可以有效去除水中的有机污染物和空气中的氮氧化物等有害物质，同时具有良好的稳定性和周期性反应能力。

未来，TiO2纳米管阵列的研究将会在新能源、环境净化等领域继续发挥重要作用。

染料敏化纳米TiO2太阳能电池的研究进展摘要：本文综述了染料敏化纳米TiO2太阳能电池的研究概况，阐述了染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的结构及其原理, 对影响其光电转换效率的关键因素，如纳米TiO2膜、敏化染料、电解质等做了探讨。

同时介绍了TiO2纳米薄膜的一些制备方法。

最后对太阳能电池所面临的问题进行讨论, 并提出今后的研究方向。

关键词：TiO2；太阳能电池；染料敏化；纳米薄膜1、引言能源危机与环境污染是人类在21世纪面临的两大挑战, 开发和利用可再生绿色能源已成为人类社会所面临的重大课题。

近几年来, 很多国家已投入大量资金从事太阳能电池的研究和开发工作, 用单晶或多晶硅膜制备的太阳能电池其最高效率可达20%以上, 但成本过高。

开发低成本光电活性材料, 对充分利用太阳能资源有重要意义, 目前ZnO、CdS、CdSe、CdTe、Fe2O3、SnO2、TiO2等许多化合物被用于光电转换。

虽然CdSe、CdTe等光电池有一定的应用前景, 但它们是剧毒物质, 容易对环境带来危害。

TiO2染料敏化电池( Dye-Sensitized Solar Cell, 简称DSSC)则彻底摒弃了传统的硅电池工艺, 它的最大优势是廉价的成本以及非常简单的制作工艺, 因此有很好的应用前景, 其制备与应用研究受到各国学术界的重视, 并成为化学和材料科学研究的前沿领域。

2、染料敏化电池的结构及工作原理2.1 染料敏化电池的基本结构染料敏化太阳能电池主要由导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、敏化剂和电解质等部分组成。

导电玻璃的内侧镀有0.5～0.7μm氧化铟锡透明膜, 方块电阻为10～20Ω, 透光率大于85%。

光阴极还可镀上一层Pt(约5～10μg·cm-2), Pt层对光的反射不仅提高了太阳光的吸收率, 还有助于提高电子的收集效率。

TiO2膜为具有高比表面积的纳米多孔薄膜, 一般厚度约为10μm 左右。

DSSC电池选用的敏化剂可以选择有机染料或无机染料。

Vol.34高等学校化学学报No.102013年10月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 2401~2407 doi:10.7503/cjcu20130093Sb 2S 3纳米丝的合成及杂化太阳电池研究张　慧,吴　璠,韩昌报,沈　薇,崔　奇,邱泽亮,刘长文,高　锋,王命泰(中国科学院等离子体物理研究所,中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥230031)摘要　利用溶剂热方法制备出高质量的Sb 2S 3纳米丝,并将其与聚(2⁃甲氧基⁃5⁃(2⁃乙基己氧基)⁃1,4⁃对苯乙炔)(MEH⁃PPV)共混制备成体型结构聚合物太阳电池.利用X 射线衍射㊁扫描电子显微镜㊁透射电子显微镜和紫外⁃可见吸收光谱对Sb 2S 3纳米丝进行表征,利用电流⁃电压(J⁃V )测试和电池的光电转换效率(IPCE)谱研究了Sb 2S 3纳米丝含量对Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混体型结构太阳电池性能的影响.结果表明,合成的Sb 2S 3纳米丝直径为60~70nm,长度为4~6μm,沿[001]晶向生长,在紫外⁃可见光区有较强的吸收,光学带隙为1.57eV.电池性能测试结果表明,Sb 2S 3纳米丝作为辅助光吸收材料及有效的电子传输材料,提高了对可见光的利用率;Sb 2S 3的补充吸收作用使Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混电池具有一定的宽谱响应特点;与不含Sb 2S 3的电池相比,Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混电池中增加的MEH⁃PPV /Sb 2S 3界面提高了光生激子分离效率,从而提高了电池的效率.关键词　Sb 2S 3;纳米丝;太阳电池中图分类号　O646 文献标志码　A收稿日期:2013⁃01⁃25.基金项目:中国科学院合肥物质科学研究院院长基金和国家自然科学基金(批准号:11274307)资助.联系人简介:王命泰,男,博士,研究员,主要从事太阳电池材料与器件性能研究.E⁃mail:mtwang@由于结合了无机材料电子迁移率和热稳定性高及有机材料易成膜㊁重量轻㊁柔软的优点,以共轭聚合物为电子给体(D)和无机纳米结构作为电子受体(A)组成的杂化型聚合物太阳电池(PSC)受到越来越广泛的关注[1~3].在这类太阳电池中,光电转换过程包括以下步骤:共轭聚合物吸收太阳光产生激子㊁激子扩散到D /A 界面并分离成自由电子和空穴㊁电子迅速注入到无机纳米结构中而空穴在聚合物内部㊁电子和空穴分别输运到相应的电极产生电流.常用共轭聚合物的带隙(E g )较宽,如聚(3⁃己基)噻吩(P3HT)的带隙为2.0eV [4~6]㊁聚(2⁃甲氧基⁃5⁃(2⁃乙基己氧基)⁃1,4⁃对苯乙炔)(MEH⁃PPV)的带隙为2.3eV [7,8];这些聚合物的光吸收光谱范围较窄,主要在400~600nm 之间,而太阳光谱的最大光子流量在600~800nm [9],使得这些聚合物组成的PSC 的光谱响应范围与太阳光谱不匹配.利用窄带隙无机半导体纳米材料,如CuInS 2(E g =1.7eV)[10],PbS(E g =0.4eV)[11,12],FeSe(E g =0.8eV)[11],SnS(E g =1.3eV)[13],Sb 2S 3(E g =1.7~1.9eV)[14,15]作为辅助光吸收材料制备杂化太阳电池,可拓宽器件的光响应范围,提高光利用率,进而提高电池性能.Sb 2S 3具有较高的光吸收系数(α≈105cm -1)和较小的带隙(1.7~1.9eV)[14,15],是非常有潜力的光伏材料.近年来,以Sb 2S 3作为光吸收材料的太阳电池备受关注.其中,研究最多的是使用Sb 2S 3量子点作为敏化剂及光吸收材料制备固态染料敏化电池[14]及使用Sb 2S 3薄膜制备无机薄膜太阳电池及杂化型PSC [16,17].量子点比表面积大,表面缺陷多,增加了电子在量子点间传输时的复合几率;与量子点相比,长径比较大的一维(1D)无机纳米结构(如纳米丝㊁纳米棒)更有利于电子传输,并且其比表面积比薄膜大,对光的利用率较高.因此,使用1D 纳米结构制备的太阳电池比使用其它形貌材料制备的电池性能好[18].然而,由Sb 2S 3纳米丝和聚合物组成的太阳电池还未见报道.Sb 2S 3纳米丝或纳米棒的合成方法主要有湿化学法[19]㊁模板法[20]和水/溶剂热法[21~25]等.水/溶剂热法是一种简便㊁高效的纳米材料合成方法.文献中合成Sb 2S 3纳米丝的水/溶剂热法具有反应温度Fig.1　Architecture of Sb 2S 3/MEH⁃PPVhybrid solar cells较高(≥180℃)㊁反应时间较长(超过10h)㊁常用有机金属化合物作为前驱物㊁合成过程比较复杂㊁产物纳米丝的直径通常大于100nm 等特点[21~24].本文以L ⁃巯基丙氨酸为表面改性剂,使用简单的无机盐作为反应物,在较低温度(160℃)和较短反应时间(6h)条件下合成Sb 2S 3纳米丝,以Sb 2S 3纳米丝和MEH⁃PPV 的共混膜作为光活性层,制备了Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混体型杂化太阳电池(图1),并研究了Sb 2S 3纳米丝含量对电池性能的影响.1　实验部分1.1　试 剂L ⁃巯基丙氨酸(C 3H 7NO 2S,纯度99%,Alfa⁃Aesar 公司)㊁聚(3,4⁃乙基二氧噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT ∶PSS,Clevios P HC V4,H. C.Starck 公司)㊁MEH⁃PPV(M n =40000~70000,Aldrich 公司)㊁氧化铟锡(ITO)导电玻璃(<15Ω/□,深圳莱宝高科技股份有限公司).SbCl 3㊁Na 2S 2O 3㊃5H 2O㊁乙醇㊁丙酮㊁异丙醇及氯苯均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司),其中氯苯在减压蒸馏后使用.1.2　Sb 2S 3纳米丝的合成在10mL 丙酮中溶解0.2g SbCl 3,室温下搅拌5min 形成透明溶液,然后加入15.5mL Na 2S 2O 3㊃5H 2O(0.5mol /L)水溶液和20mL 无水乙醇,搅拌至形成橘红色悬浮物,然后加入1g L ⁃巯基丙氨酸搅拌15min,此时橘黄色悬浮物变为暗红色,再加入34.5mL 去离子水使混合物总体积达到80mL;将该悬浮液转移至100mL 高压釜中,密封后于160℃反应6h.待高压釜自然冷却至室温后,将产物离心(转速8000~12000r /min,15min)分离,用无水乙醇洗涤多次并于60℃真空干燥8h.1.3　太阳电池的制备使用KW⁃4A 型匀胶机(美国Chemat Technology 公司),将Sb 2S 3纳米丝和MEH⁃PPV 按不同质量比(R )在氯苯中共混(其中,MEH⁃PPV 在氯苯中的浓度为4mg /mL)后旋涂成膜,作为电池的光活性层.以ITO 为电池的光阳极,经丙酮㊁异丙醇和超纯水超声清洗后干燥,在其表面制备一层TiO 2膜[26]作为电子传输层,接着旋涂一层Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混物(1500r /min,60s),并在氮气保护下于60℃干燥1h 以除去溶剂;在活性层上旋涂PEDOT ∶PSS 的异丙醇溶液(体积比1∶1,使用前用0.8μm 滤膜过滤)(2000r /min,60s)作为电子阻挡层,在手套箱中于100℃热处理15min,最后,使用ZHD⁃230D 型电阻蒸发镀膜仪(北京泰科诺科技有限公司)在PEDOT ∶PSS 膜上通过真空热蒸发方法蒸镀一层Au 膜(100nm)作为电池光阴极.器件在Super 1220/750型超级净化手套箱[米开罗那(中国)有限公司](O 2浓度<1.43mg /m 3,水蒸气浓度<0.80mg /m 3)封装.1.4　表 征粉末X 射线衍射测试在MXP18AHF 型X 射线衍射仪(日本Mac Science 公司)上完成(Cu Kα辐射,λ=0.154056nm).使用FEI Sirion 200型场发射扫描电子显微镜(FE⁃SEM,美国FET 公司)㊁JEOL⁃2010型透射电子显微镜(TEM,日本JEOL 公司)及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析样品形貌㊁尺寸及生长特点.紫外⁃可见(UV⁃Vis)吸收光谱和荧光(PL)光谱分别在UV2550型紫外⁃可见分光光度计(日本岛津公司)和F⁃7000型荧光光谱仪(日本日立公司)上测试.光学测试使用的膜样品是将活性层溶液按电池制备条件旋涂在干净的石英基片上制得.电池的电流⁃电压(J⁃V )测试在94023A 型Oriel Sol3A 太阳模拟器(美国Newport 公司)上完成,光源为450W 氙灯,数据采集在PVIV⁃1A 型I⁃V 测试系统(美国Newport 公司,Keithley 2400数字源表,Labview 2009SP1GUI 软件)上完成,光照强度(AM 1.5,100mW /cm 2)由标准硅电池标定.电池的光电转换效率(IPCE)谱测试在QE /IPCE 测量系统(美国Newport 公司)上完成.J⁃V 及IPCE 测试时光都通过ITO 面照射,电池的有效面积为0.04cm 2.2042高等学校化学学报 Vol.34　2　结果与讨论2.1　Sb 2S 3纳米丝的表征图2(A)是产物的XRD 谱图.所有衍射峰对应正交晶系Sb 2S 3(JCPDS card No.:42⁃1393),其晶格常数为a =1.123nm,b =1.131nm,c =0.3841nm.XRD 谱图中没有出现杂质峰,衍射峰很尖锐,表明产物的纯度和结晶度均很高.SEM 照片[图2(B)]表明,产物呈典型的纳米丝结构,直径为60~70nm,长度为4~6μm.图2(C)和(D)分别是单根纳米丝的TEM 照片和HRTEM 照片.HRTEM 照片中晶格条纹间距为0.277nm,对应于Sb 2S 3的(221)晶面(d =0.2765nm),表明Sb 2S 3纳米丝为单晶;晶格条纹与纳米丝的生长方向呈43.5°夹角,表明纳米丝沿[001]方向生长[21,23].Fig.2　XRD pattern (A )and SEM image (B )of the as⁃synthesized Sb 2S 3nanowires ,TEM image of a singlenanowire (C )and HRTEM image of the marked region on the TEM image (D )Inset of (B)shows a magnified SEM image of the sample.Fig.3　Absorption spectrum of the as⁃synthesized Sb 2S 3nanowires in ethanolThe inset shows the band gap determination by direct band gap method.图3为所合成的Sb 2S 3纳米丝(0.2mg /mL)均匀分散在乙醇中的吸收光谱.可以看出,Sb 2S 3纳米丝的光谱范围在300~900nm 之间,尤其在750nm 以内吸收较强,与太阳光谱的最大光子流量区域有较好的匹配.通过直接带隙法[19]获得Sb 2S 3纳米线的带隙为1.57eV(图3插图).2.2　共混膜的光学性质图4为MEH⁃PPV 膜(R =0∶1)和不同Sb 2S 3含量的共混膜(R =1∶1和5∶1)的UV⁃Vis 吸收光谱及室温PL 谱.MEH⁃PPV 膜的吸收范围为400~600nm,对应于共轭体系中的π⁃π*电子跃迁.当R =1∶1时,Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混膜的吸收光谱与MEH⁃PPV 的非常相似,表明共混膜吸收主要源于MEH⁃PPV,但其在300~400和600~900nm 范围的吸收增强,是Sb 2S 3的补充吸收所致.当Sb 2S 3纳米丝的含量增加至R =5∶1时,Sb 2S 3的吸收更为显著.因此,Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混膜在300~900nm 范围内具有较好的光吸收能力,并随Sb 2S 3纳米丝3042　No.10　张　慧等:Sb 2S 3纳米丝的合成及杂化太阳电池研究4042高等学校化学学报 Vol.34　含量的增加而增强.Sb2S3/MEH⁃PPV共混膜的PL谱[图4(B)]与纯MEH⁃PPV的很相似,说明共混膜的荧光峰主要来自于MEH⁃PPV中的激子发光.MEH⁃PPV在595nm处的荧光峰是由于激发态的π电子向基态跃迁所致.与MEH⁃PPV相比,共混膜的荧光峰强度显著下降,这是由于发生了由MEH⁃PPV 向Sb2S3纳米丝的能量转移,使MEH⁃PPV的荧光发生猝灭[27].将Sb2S3纳米丝含量由R=1∶1增加至R=5∶1,荧光峰强度猝灭程度由42.4%增加至88%,表明提高R值使Sb2S3/MEH⁃PPV界面面积增大,有利于聚合物中的激子在Sb2S3/MEH⁃PPV界面处分离.Fig.4　Absorption(A)and room⁃temperature PL(B)spectra of MEH⁃PPV(a)and Sb2S3/MEH⁃PPV blend[R=1∶1(b)and5∶1(c)]films on quartz substrates2.3　太阳电池性能图5是以不同Sb2S3含量的Sb2S3/MEH⁃PPV共混膜作为光活性层制备的太阳电池在AM1.5光照条件下的电流⁃电压(J L⁃V)曲线及IPCE曲线,图5(A)中的插图是暗态条件下的电流⁃电压(J D⁃V)曲线,表1列出了由J L⁃V曲线得到的器件光伏参数.结果表明,Sb2S3纳米丝的含量对电池的开路电压(V oc)影响不大,但短路电流(J sc)随R值的增加而增大.与不含Sb2S3纳米丝的电池相比,当R=1∶1时,电池的填充因子(FF)几乎不变,J sc和能量转换效率(η)分别增加了12%和15%;将Sb2S3的含量增加至R=5∶1时,电池的J sc和η分别增大了64.3%和39.4%,而FF减少14.4%.可见,随着Sb2S3含量的增加,J sc增大是提高电池光电转换效率的主要原因,但FF随R值增加而降低则限制了电池性能进一步提高.Fig.5　J⁃V curves under AM1.5illumination(A)and IPCE curves(B)of the MEH⁃PPV/Sb2S3 solar cells with different R valuesInset of(A)shows the J⁃V curves of the devices in the dark,inset of(B)shows the magnified IPCE spectra in the range of600 900nm.Table1　Device performance under AM1.5illuminationR V oc/V J sc/(mA㊃cm-2)FF(%)η(%)10-3R s/Ω10-3R sh/Ω0∶10.4661.45641.60.2822.7319.61 1∶10.4821.63441.30.3252.3318.73 5∶10.4612.39235.60.3932.4110.62 为了深入认识R对J sc产生的影响,对电池的IPCE进行了测试[图5(B)].不含Sb2S3纳米丝的电池在600~900nm范围内IPCE接近0,无光电流产生;使用Sb2S3/MEH⁃PPV共混膜(R=1∶1和5∶1)制备的太阳电池在600~900nm表现出一定的IPCE[图5(B)插图],且在400~600nm范围内IPCE 显著增强.依据文献[28~31]可得到PEDOT∶PSS,Au,MEH⁃PPV,TiO2和Sb2S3的电子结构,Sb2S3/Fig.6　Band structure in MEH⁃PPV /Sb 2S 3solar cells Arrows indicate the expected charge transfer and transport processes.MEH⁃PPV 共混体型太阳电池的能级结构如图6所示.在Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混体型杂化太阳电池中,MEH⁃PPV 为电子给体,Sb 2S 3既是电子受体也是电子给体.光照时,Sb 2S 3纳米丝和MEH⁃PPV 共同吸收光子产生激子.在能量转移过程中,MEH⁃PPV 中的激子在MEH⁃PPV /Sb 2S 3界面处分离,电子注入到Sb 2S 3中进而传输到TiO 2,空穴则在该聚合物中传输;Sb 2S 3中的激子在Sb 2S 3/TiO 2界面分离,电子注入到TiO 2而空穴则注入到聚合物中.最后,自由电子和空穴分别在ITO 和Au 电极上收集,产生光电流.由UV⁃Vis 谱[图4(A)]可知,在400~600nm 范围内,光电流的产生源于MEH⁃PPV 和Sb 2S 3纳米丝的共同吸收;而在600~900nm 内,MEH⁃PPV 对光没有吸收,光电流的产生应源于Sb 2S 3纳米丝的光吸收.因此,R =1∶1和5∶1时,600~900nm 范围内的IPCE 是Sb 2S 3纳米丝吸收的贡献,虽然这部分IPCE 数值较小,其存在说明电池已具有一定的宽谱响应特点;而在400~600nm 范围内IPCE 数值的增加,一方面是由于Sb 2S 3纳米丝的光吸收对电流的贡献,另一方面是由于Sb 2S 3纳米丝的加入增加了MEH⁃PPV /Sb 2S 3界面,有利于光生激子的分离,使最终产生电流的有效激子数量增加,提高对可见光的有效利用率.可见,在Sb 2S 3/MEH⁃PPV 共混体型电池中,MEH⁃PPV 是主要的光吸收材料,而Sb 2S 3纳米丝是辅助光吸收材料及有效的电子传输材料.在杂化太阳电池中,FF 与电池的串联电阻(R s )和并联电阻(R sh )密切相关[9,32].R s 是载流子在传输过程中的电阻,R s 越小,意味着载流子越容易传输到电极形成电流;R sh 越高表示电池中漏电流越小,即载流子传输过程中复合情况较弱.理想情况下,当R s =0,R sh =∞时,FF =1[9,32].利用下式计算光照条件下J⁃V 曲线在V oc 和J sc 处的切线斜率可得到R s 与R sh [13]:R s =(d V /d J )J =0(1)R sh =(d V /d J )V =0(2) 实验中R s 和R sh 数值由电流⁃电压测试系统直接给出(表1).与不含Sb 2S 3纳米丝的电池相比,加入Sb 2S 3纳米丝后(R =1∶1和5∶1),R s 和R sh 都减小.R =1∶1时,R s 减小14.5%,R sh 减小4%,而FF 几乎不变;R =5∶1时,R s 减小11.8%,R sh 减小45.8%,FF 减小14.4%.可见,Sb 2S 3纳米丝的加入一方面减小了R s ,有利于载流子传输;另一方面,增加了电荷复合,减小了R sh ,不利于FF 的提高[33].Sb 2S 3纳米丝表面存在的缺陷是其增加电荷复合的原因所在[28,34].光生电流(J ph )是光生激子在D /A 界面处分离成的自由载流子形成的电流,是光照条件下总电流J L 的一部分,可反映D /A 界面处电荷的分离复合情况[35]:J ph (E )∝k s (E )k r (E )(3)Fig.7　J ph ⁃V curves in Sb 2S 3MEH⁃PPV solarcells with different R式中,k s (E )和k r (E )分别是与电场E 相关的界面处光生激子的分离和复合效率.利用光照和暗态条件下的J ⁃V 数据(图5),通过公式J ph =J L -J D [36](J L 和J D 分别为光照和暗态条件下的电流),计算得到J ph ⁃V 关系图(图7).与不含Sb 2S 3纳米丝的电池相比,R =1∶1时电池的J ph 由1.61mA /cm 2增大至1.78mA /cm 2,增幅10.5%;而当R =5∶1时,J ph 增大至2.67mA /cm 2,增幅高达65.8%.共混膜的PL 谱[图4(B)]表明,增加Sb 2S 3纳米丝的用量有利于光生激子在MEH⁃PPV /Sb 2S 3界面处分离,使5042　No.10　张　慧等:Sb 2S 3纳米丝的合成及杂化太阳电池研究6042高等学校化学学报 Vol.34　k s(E)提高.虽然电阻分析结果表明,Sb2S3纳米丝的加入使载流子复合增加,即k r(E)增大,但J ph的增大说明k s(E)提高的幅度远大于k r(E).在不含Sb2S3纳米丝的电池中,MEH⁃PPV中的部分光生激子离D/A界面(MEH⁃PPV/TiO2界面)较远,未扩散至界面就湮灭,因此k s(E)较小;而在Sb2S3/MEH⁃PPV共混体型杂化太阳电池中,Sb2S3纳米丝的添加在MEH⁃PPV相中引入较多的MEH⁃PPV/Sb2S3界面,使电池中D/A界面面积增大,聚合物中的光生激子与D/A界面之间距离大大缩短,可使更多的激子在湮灭前扩散至D/A界面并成功分离,提高k s(E).相比文献中其它一维纳米结构,如TiO2和CdS纳米棒[4,7],本文所用的Sb2S3纳米丝较长(4~ 6μm).Sb2S3吸收光子产生的激子需沿纳米丝向TiO2膜扩散,才能到达分离界面,并对电流的产生做出贡献,但是扩散距离过长会导致激子在扩散过程中发生湮灭,这也许是共混膜在600~900nm范围内有很强的吸收而电池在该光谱范围的IPCE数值却很低的原因.3　结 论利用溶剂热方法制备出高质量的Sb2S3纳米丝,使用Sb2S3纳米丝制备成Sb2S3/MEH⁃PPV共混体型杂化太阳电池.结果表明,Sb2S3纳米丝作为辅助光吸收材料及有效的电子传输材料,提高了杂化太阳电池对可见光的利用率;Sb2S3的补充吸收作用使电池具有一定的宽谱响应的特点.与不含Sb2S3纳米丝的电池相比,Sb2S3纳米丝的添加,一方面引入了MEH⁃PPV/Sb2S3界面,使电池中D/A界面面积增大,提高光生激子的分离效率和电子的传输能力,提高电池的光电流;另一方面,Sb2S3纳米丝的表面缺陷导致电荷复合严重,不利于电池性能的提高.当Sb2S3纳米丝与MEH⁃PPV的质量比为5∶1时,得到能量转换效率为0.393%的电池器件.参　考　文　献[1]　Huynh W.U.,Science,2002,295(5564),2425 2427[2]　Burda C.,Chen X.B.,Narayanan R.,El⁃Sayed M.A.,Chem.Rev.,2005,105(4),1025 1102[3]　Coakley K.M.,McGehee M.D.,Chem.Mater.,2004,16(23),4533 4542[4]　Cardoso J.C.,Grimes C.A.,Feng X.J.,Zhang X.Y.,Komarneni S.,Zanoni M.V.B.,Bao N.Z.,mun.,2012,48(22),2818 2820[5]　Lin Y.Y.,Wang D.Y.,Yen H.C.,Chen H.L.,Chen C.C.,Chen C.M.,Tang C.Y.,Chen C.W.,Nanotechnology,2009,20(40),405207⁃1 405207⁃5[6]　Ferreira S.R.,Davis R.J.,Lee Y.J.,Lu P.,Hsu J.W.P.,Organic Electronics,2011,12(7),1258 1263[7]　Wang L.,Liu Y.S.,Jiang X.,Qin D.H.,Cao Y.,J.Phys.Chem.C,2007,111(26),9538 9542[8]　Verma D.,Ranga R.A.,Dutta V.,Sol.Energy 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Chang⁃Bao,SHEN Wei,CUI Qi,QIU Ze⁃Liang,LIU Chang⁃Wen,GAO Feng,WANG Ming⁃Tai *(Institute of Plasma Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Key Lab of Novel Thin Film Solar Cells ,Chinese Academy of Sciences ,Hefei 230031,China )Abstract High quality Sb 2S 3nanowires,which were 60 70nm in diameter and 4 6μm in length,were synthesized via a facile solvothermal approach by using L ⁃cysteine (C 3H 7NO 2S)as a capping agent,and applied to hybrid solar cells after blending with poly(2⁃methoxy⁃5⁃(2⁃ethylhexyloxy)⁃1,4⁃phenylenevinylene)(MEH⁃PPV).The as⁃synthesized nanowires were characterized by XRD,SEM,TEM,UV⁃Vis absorption and PL spectra;the solar cells were investigated by current⁃voltage(J⁃V )measurements and incident photon⁃to⁃current conversion efficiency(IPCE)spectroscopy.The highly pure Sb 2S 3nanowires have a bandgap of 1.57eV and grow along [001]direction.In comparison with the solar cells without Sb 2S 3nanowires,the MEH⁃PPV /Sb 2S 3devices exhibit a much higher J sc depending on the Sb 2S 3concentration and a certain wide spectral response characteristics due to complementary absorption of Sb 2S 3nanowires.With addition of the Sb 2S 3nanowires into the polymer phase,the MEH⁃PPV /Sb 2S 3interfaces are created for dissociation of the excitons generated in the polymer and the direct channels are formed for electron transport;on the other hand,the de⁃fects on the nanowire surface cause the serious charge recombination that is unfavorable for the photocurrent generation.At the Sb 2S 3/MEH⁃PPV mass ratio of 5∶1,the device with a power conversion efficiency of0.393%is achieved under AM 1.5illumination(100mW /cm 2).Keywords Sb 2S 3;Nanowires;Solar cell (Ed.:S ,Z ,M )7042　No.10　张　慧等:Sb 2S 3纳米丝的合成及杂化太阳电池研究。

TiO2纳米管阵列的制备、性质及应用的开题报告
一、研究背景
TiO2纳米管阵列具有独特的优良性能，在光电催化、薄膜太阳能电池、传感器和光学等领域有着广阔的应用前景。

制备TiO2纳米管阵列的方法有多种，如溶胶-凝胶、水热合成、阳极氧化等，其中以阳极氧化法
制备的TiO2纳米管阵列表现出优异的性质，成为研究热点。

二、研究目的
本文旨在实验制备TiO2纳米管阵列，探究制备过程中各因素对上述材料性质的影响，分析TiO2纳米管阵列在光电催化等领域中的应用前景。

三、研究内容
（1）制备TiO2纳米管阵列
采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列。

制备过程中，将铝箔置于氧化液中作为阳极，在一定电压下进行氧化处理，使得铝箔表面生成具有
规则排列孔道的纳米管阵列。

（2）分析TiO2纳米管阵列的物理化学性质
采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段分析TiO2纳米管阵列的形貌结构、晶体结构、成分组成和光学性质。

（3）研究TiO2纳米管阵列的应用
针对TiO2纳米管阵列的优良性质，尤其是其在光电催化方面的应用，探究其在环境治理、能源转换等领域的应用前景。

四、研究意义
本研究可以为制备TiO2纳米管阵列提供一种有效的制备方法，并通过对其物理化学性质的分析，探究其优良性质的形成机理。

在应用方面，
对TiO2纳米管阵列在光电催化领域的应用进行系统研究，有望在环境污染治理和新能源开发等领域取得重要的实际应用。

固态Pb/S/乙二硫醇量子点薄膜敏化TiO_2纳米棒阵列太阳电池的制备与光伏性能量子点敏化太阳电池被誉为第三代太阳电池,具有广阔的发展前景,由于具备高理论的光电转换效率和低生产成本,是近年来研究的热点课题。

本文主要研究固态Pb/S/乙二硫醇量子点薄膜敏化TiO2纳米棒阵列太阳电池的制备与光伏性能。

利用旋涂辅助连续离子层吸附反应(spin-coating-assistedSILAR)通过依次旋涂Pb(N03)2、Na2S、乙二硫醇溶液制备了 Pb/S/乙二硫醇量子点薄膜,系统研究了 TiO2纳米棒阵列的微结构、Pb(NO3)2和Na2S的浓度以及两者的浓度比对固态Pb/S/乙二硫醇量子点薄膜敏化Ti02纳米棒阵列的组成、微结构、晶粒大小、光学吸收以及相应太阳电池光伏性能的影响。

结果表明:在水热温度为160℃,水热生长时间分别为90 min、100 min和108 min时,所得TiO2纳米棒阵列的长度、直径、面密度分别为 460nm、40nm、340μm-2,630nm、44nm、330μm-2,720nm、50nm、320μm-2。

随着水热生长时间的延长,Ti02纳米棒阵列的长度和直径都增加,面密度减小。

在TiO2纳米棒阵列上依次旋涂5mmol·dm-3 Pb(N03)2、5 mmol.dm-3 Na2S 和 1%的 EDT 溶液(EDT/乙醇体积比为 1/99),制备了固态Pb/S/乙二硫醇量子点薄膜敏化Ti02纳米棒阵列,所组装的相应太阳电池的光电转换效率分别是2.17%、2.96%和2.74%。

保持Pb(NO3)2的浓度为5 mmol·dm-3 不变,Na2S 的浓度分别为5 mmol·dm-3、3.5mmol.dm-3、2mmol·dm-3(其中Pb(N03)2和Na2S浓度比分别为1:1、1:0.7、1:0.4),随着Na2S浓度的从5 mmol·dm-3降低到3.5 mmol·dm-3和2 mmol·dm-3,所制备的Pb/S/乙二硫醇量子点的晶粒大小从7.9 nm减小到7.1 nm和6.5 nm,其吸收开端蓝移从625 nm到587 nm和571nm,相应太阳电池的光电转换效率逐渐增加从2.68%增加到3.41%和4.51%,基于Pb(N03)2和Na2S浓度比为1:0.4时,相应太阳电池取得最佳的光电转换效率;保持Pb(N03)2和Na2S浓度比为1:0.4不变,当Pb(N03)2和Na2S的浓度从 7 mmol·dm-3、2.8 mmol·dm-3 减小到 5 mmol·dm-3、2 mmol·dm-3 和 3 mmol·dm-3、1.2 mmol·dm-3时,所制备的Pb/S/乙二硫醇量子点的晶粒大小从7.5 nm减小到6.7 nm和6.3 nm,吸收开端从580 nm 减小至558nm和535 nm,相应太阳电池的光电转换效率分别为3.37%、4.39%和3.46%。

一种 bi2o2s 包覆的纳米棒阵列的制备方法与在太阳能电池的
应用
制备方法：
1. 制备纳米棒：首先制备一定长度和直径的二氧化硒
（Bi2O2S）纳米棒。

可以使用气相沉积法（如化学氛围沉积法）或溶液法（如水热法或电化学法）等方法制备。

2. 包覆纳米棒：将制备好的纳米棒放入含有包覆材料（如二氧化钛或氧化锌）的溶液中，在适当的条件下（如高温、高压和适当的搅拌时间）进行搅拌和反应，使包覆材料均匀地附着在纳米棒表面，形成包覆的纳米棒阵列。

3. 后处理：将包覆的纳米棒阵列进行洗涤和干燥处理，以去除余留的溶液和控制纳米棒间距。

在太阳能电池的应用：
1. 光电转换层：将制备好的 bi2o2s 包覆的纳米棒阵列直接用作太阳能电池的光电转换层。

由于其特殊的结构和材料性质，它可以有效地吸收阳光中的可见光和近红外光，并将其转换为电能。

2. 电子传输层： bi2o2s 包覆的纳米棒阵列还可以用作太阳能电池的电子传输层。

由于其高表面积和导电性，它可以促进电子的快速传输和收集，提高电池的效率和稳定性。

3. 光伏性能增强： bi2o2s 包覆的纳米棒阵列能够增强太阳能电池的光吸收能力，并减轻光反射损失。

此外，可通过调整包
覆材料的性质和厚度来调节光的吸收和透射，从而优化光伏性能。

总之，bi2o2s 包覆的纳米棒阵列是一种有潜力的太阳能电池材料，具有高光吸收能力、快速电子传输和增强光伏性能等优点，可用于提高太阳能电池的效率和稳定性。

固态染料敏化太阳能电池的研究ZnO纳米线普遍用于光电、光伏和压电能量采集设备。

具有金属导电率的掺Cl氧化锌可以和这些设备很好的契合并且改善它们的性能。

对可能的Cl掺杂机制进行了讨论。

紫外线−可见吸收光谱证实了掺ClZnO纳米线对可见光的透明性。

长ZnO纳米棒阵列通过两次水热法成功地制备于Ti衬底上。

高度结晶的CdS 纳米颗粒通过恒电流电沉积的方法沉积在ZnO的表面上。

高度结晶的CdS纳米颗粒通过恒电流电沉积的方法沉积在ZnO纳米棒的表面上。

经过两次水热法生长的且第二次生长时间为六个小时的CdS敏化ZnO纳米棒阵列拥有最佳的光电化学性能。

分别模拟太阳光和可见光的照明，光诱导电流密度在零偏压时分别为23.72-⋅cmmA。

在波长为380纳米到520纳米的单色光波，其mA和15.82-⋅cm光电转换效率在50%-60%的范围，显示出它高的光电转换效率。

可见光的贡献值明显高于紫外线光。

一、简介1.1、ZnO纳米线氧化锌（ZnO）是一种宽带隙半导体材料，具有优良的光电化学性能，这种材料从水分解光电化学制氢、光催化降解有机物、敏化太阳能电池、光致发光材料、气体传感等方面被广泛的研究。

与最先应用于半导体材料光电转换的二氧化钛（TiO2）相比，氧化锌（ZnO）既环保又耗价低。

此外，氧化锌（ZnO）的电子迁移率高出二氧化钛（TiO2）电子迁移率两个数量级。

而高的电子迁移率可有效改善氧化锌（ZnO）中光生电子的迁移率以抑制光生电子和空穴的复合。

因此，氧化锌（ZnO）被认为是具有巨大应用潜力的光伏半导体材料。

含有杂质原子的掺杂半导体纳米线通常是一种整合他们的电学特性和光学特性的有效方法，如此可以调整各种纳米级电子、光电子、能量转换器件的特性使之适应。

ZnO 纳米线，特别是在垂直的形式下对齐的纳米阵列普遍用于光电器件、光电探测器、发光二极管、压电纳米发电机，这主要归功于它们本身具有的特殊属性和简单的可生长性，它们的生长事实上都不需要衬底。

华中科技大学硕士学位论文摘要太阳能电池是基于光生伏特效应将光能转变为电能的器件，在能源日益短缺的今天受到了广泛关注。

在众多类型的太阳能电池中，薄膜太阳能电池由于具有轻便可柔性等特点，被广泛地应用于各个领域。

如今碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池的制备工艺成熟，已经实现了商品化，但CdTe含有有毒重金属Cd，CIGS 中的In和Ga都是价格昂贵的金属，所以人们希望寻找到一种绿色廉价的吸光层材料。

硒化锑（Sb2Se3）是一种无毒、组成元素地壳丰度大的半导体材料，且禁带宽度合适，吸光系数大，具有优异的光电性能，是一种良好的吸光层材料，具有极大的发展前景。

Sb2Se3薄膜太阳能电池目前已被深入研究，通常其所采用的N型缓冲层为硫化镉（CdS），并已获得了良好的器件效率。

虽然该器件结构较为成熟，但缓冲层的毒性必将限制Sb2Se3薄膜太阳能电池未来的发展。

在本课题中，我们使用了无毒的宽禁带半导体氧化钛（TiO2）代替有生物毒性的CdS，解决了缓冲层毒性的问题。

其中，TiO2薄膜由喷雾热解法制备，该方法设备成本低，原材料使用率高且可大面积制备，因此可适应未来的大规模工业化生产。

在现今的研究方法中，大多数人在研究某一个工艺参数时，都会在一定的参数范围内进行多次取值后对比结果，以找到最佳工艺条件，这无疑是耗时费力、效率低下的一种方法，且无法保证多次重复实验中其它参数的一致。

针对这一弊端，我们引入了高通量的实验方法。

高通量实验方法是在短时间内完成大量样品的制备与表征的方法，是一种相对新型的研究方法，它可以快速高效地完成对材料或工艺参数的筛选、优化或发现。

我们通过高通量实验方法全面地对TiO2/Sb2Se3薄膜太阳能电池中三个重要的工艺参数（TiO2薄膜厚度、TiO2薄膜退火温度和Sb2Se3薄膜厚度）进行优化，并使用硫化铵（(NH4)2S）溶液对器件背表面进行处理，实现了5.6%的光电转换效率。

在此过程中，使用了X射线衍射谱（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、荧光光谱（PL）、电容-电压分析（C-V）和驱动级电容剖面（DLCP）等大量的材料华中科技大学硕士学位论文和电学表征手段，重点对TiO2/Sb2Se3器件界面处的缺陷作出了研究，并指出了降低界面缺陷浓度是提高器件效率的关键。

TiO2纳米管阵列的制备与修饰及光电催化性能研究的开题报告研究背景及意义：TiO2纳米管阵列是一种具有良好物理化学性质的纳米材料，在环保领域以及光电催化领域有着广泛的应用。

当前，TiO2纳米管阵列制备技术已经得到很好的发展，但是其光电催化性能还有待进一步提高。

因此，本研究将致力于制备高性能的TiO2纳米管阵列，并通过材料表面物理化学修饰方式，来提高其光电催化性能。

研究内容：1.利用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列，并结合扫描电镜和X射线衍射分析，研究制备过程对其物理化学性质的影响。

2.通过表面物理化学修饰方法，如：TiO2纳米管阵列表面修饰介质、金属离子掺杂等方法，优化其光电催化性能。

3.通过紫外可见光谱、电化学法等手段，研究优化后的TiO2纳米管阵列光电催化性能，包括催化活性、光吸收性能、电化学行为等。

研究方法：1.制备TiO2纳米管阵列。

采用阳极氧化法，在氟化电解质溶液中以Ti作为阳极，于一定的电压、电流密度下进行处理，制备得到TiO2纳米管阵列。

2.表面物理化学修饰。

通过不同的表面物理化学修饰，如：介质修饰、金属离子掺杂等方式对TiO2纳米管阵列的表面进行修饰。

3.光电催化性能测试。

采用紫外可见光谱、电化学法等手段，研究优化后的TiO2纳米管阵列光电催化性能。

预期成果：1.成功制备高质量的TiO2纳米管阵列，并探究制备过程对其物理化学性质的影响。

2.通过表面物理化学修饰方法，的到了具有优良光电催化性能的TiO2纳米管阵列。

3.探究不同的表面物理化学修饰方式对TiO2纳米管阵列的光电催化性能的影响。

4.为进一步应用此种材料于环境保护、能源等领域提供了理论依据和实验基础。