一種新型多孔二氧化鈦（P-TiO_2）及其改性后的光伏特性研究

【摘要】： 太陽能是一種可再生的資源,具有清潔、環(huán)保且含量巨大等優(yōu)點(diǎn)。無論是在通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)來替代傳統(tǒng)化石能源上,還是應(yīng)用于光催化或者是一些光敏電子器件上,太陽能都具有非常巨大的潛力。雖然光能利用的現(xiàn)象已經(jīng)十分的常見,且太陽能電池和光催化也已經(jīng)有了商業(yè)上的用途,然而光被材料吸收后,人們在研究光生電荷的傳輸機(jī)制上一直都沒有形成完整的結(jié)論。因此,如果能夠探明材料內(nèi)光生電荷的傳輸方式,甚至能夠人工調(diào)控材料內(nèi)部的光生電荷的傳輸方向,那么將對光能的利用,尤其是光催化反應(yīng)都具有重要的意義。 本文對一種具有無序孔道結(jié)構(gòu)的新型棒狀TiO_2 (P-TiO_2)材料進(jìn)行了表面光電壓譜(SPS)和場誘導(dǎo)表面光電壓譜(FISPS)研究,并與納米TiO_2材料P25進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)當(dāng)沒有外加誘導(dǎo)電場的時(shí)候,在370-520 nm的入射光范圍內(nèi),P-TiO_2表現(xiàn)出了非同一般的表面態(tài)光電壓響應(yīng)強(qiáng)度,這是其制備過程所產(chǎn)生的十分豐富的表面態(tài)所造成的結(jié)果。當(dāng)施加+0.5 V外加誘導(dǎo)電場的時(shí)候,由于表面態(tài)能級所能接受的光生電子躍遷數(shù)量達(dá)到飽和,沒有表現(xiàn)出與帶-帶躍遷相似的光電響應(yīng)強(qiáng)度。而施加-0.5 V的外加誘導(dǎo)電場時(shí),大量表面態(tài)能級對躍遷的光生電子產(chǎn)生了很好的“定域效應(yīng)”,使得光生電荷的壽命大大延長。 然后,我們對P-TiO_2進(jìn)行了不同比例(2%,5%)的Fe3+離子摻雜,再對其進(jìn)行光伏特性的研究。Fe3+的摻雜在P-TiO_2的體相內(nèi)部產(chǎn)生了許多雜質(zhì)能級,同時(shí)也提供了大量的復(fù)合中心。這都會(huì)使P-TiO_2表面態(tài)所能定域的電子減少,從而減弱相應(yīng)的的光伏響應(yīng),且隨摻雜比例的增高而更加明顯。Fe-P-TiO_2在外加誘導(dǎo)電場下的變化與P-TiO_2相似,2%Fe-P-TiO_2只是表面態(tài)光伏響應(yīng)減弱。而對于5%Fe-P-TiO_2由于摻雜比例較高,雜質(zhì)能級中被捕獲的自由電子的去捕獲現(xiàn)象也增多,并在濃度梯度效應(yīng)和負(fù)向誘導(dǎo)電場的共同作用下,使得“自建電場”方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。 此外,我們還研究了P-TiO_2被酞菁銅(PcCu)敏化后的光生電荷行為。發(fā)現(xiàn)酞菁銅的離域電子與P-TiO_2中具有“定域作用”的表面態(tài)會(huì)產(chǎn)生相互作用,從而導(dǎo)致P-TiO_2的表面態(tài)“失活”,使得表面態(tài)躍遷的光伏響應(yīng)消失。當(dāng)入射光波長為410 nm時(shí),由于體相能級躍遷消失和染料激發(fā)電子向半導(dǎo)體注入,導(dǎo)致敏化的P-TiO_2的帶彎反轉(zhuǎn),相應(yīng)的410 nm后的光生電荷分離傳輸方向與410 nm前的完全相反。外加誘導(dǎo)電場的研究表明,當(dāng)施加+0.5 V外加誘導(dǎo)電場時(shí),強(qiáng)度增大的“自建電場”可以有效地分離體相能級躍遷以及染料注入的光生電荷,從而產(chǎn)生較強(qiáng)的光伏響應(yīng),體現(xiàn)了很好的敏化效果。當(dāng)施加-0.5 V外加誘導(dǎo)電場時(shí),由于“自建電場”的強(qiáng)度被大大削弱,染料的激發(fā)電子向材料表面累積而使得材料的耗盡層極易轉(zhuǎn)變?yōu)槔鄯e層,“自建電場”的方向也隨之發(fā)生改變。 【關(guān)鍵詞】：TiO_2 光電壓譜(SPS) 場誘導(dǎo)表面光電壓譜(FISPS) 表面光伏 摻雜 酞菁銅(PcCu)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：O614.411
【目錄】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 前言8-20
• 1.1 光能的利用8-11
• 1.1.1 太陽能電池8-10
• 1.1.2 光催化環(huán)境治理10-11
• 1.1.3 光合作用11
• 1.2 光電轉(zhuǎn)換的材料11-12
• 1.3 光電轉(zhuǎn)換中光生電荷的行為12-14
• 1.3.1 光誘導(dǎo)電荷載流子的產(chǎn)生12-13
• 1.3.2 光誘導(dǎo)電荷載流子的空間分離和復(fù)合13-14
• 1.4 光生電荷行為的研究14-17
• 1.4.1 電荷遷移研究方法概述15
• 1.4.2 表面光伏(SPV)技術(shù)的原理15
• 1.4.3 光生電荷行為研究進(jìn)展15-17
• 1.5 本文的立題思想和主要內(nèi)容17-18
• 參考文獻(xiàn)18-20
• 第二章 P-TiO_2光生電荷行為研究20-33
• 2.1 實(shí)驗(yàn)部分21-23
• 2.1.1 P-TiO_2的制備21
• 2.1.2 樣品的表征21-22
• 2.1.3 樣品的光伏測試22-23
• 2.2 納米TiO_2(P25)的光生電荷行為研究23-27
• 2.3 P-TiO_2的光生電荷行為研究27-31
• 2.3.1 特殊的多孔結(jié)構(gòu)對P-TiO_2表面光伏相應(yīng)的影響27-29
• 2.3.2 外加誘導(dǎo)電場對P-TiO_2表面光伏相應(yīng)的影響29-31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 參考文獻(xiàn)32-33
• 第三章 Fe~(~(3+))摻雜的P-TiO_2（Fe-P-TiO_2）的光生電荷行為研究33-44
• 3.1 實(shí)驗(yàn)部分34-35
• 3.1.1 M-P-TiO_2的制備34
• 3.1.2 樣品的表征和測試34-35
• 3.2 Fe~(3+)摻雜的P-TiO_2 材料光伏特性研究35-41
• 3.2.1 反應(yīng)比Fe : Ti為1:50的摻雜材料光伏特性研究35-39
• 3.2.2 反應(yīng)比Fe : Ti為1:20的摻雜材料光伏特性研究39-41
• 3.3 本章小結(jié)41-42
• 參考文獻(xiàn)42-44
• 第四章 酞菁銅（PcCu）敏化P-TiO_2的光電行為研究44-56
• 4.1 TiO_2材料的表面敏化44-45
• 4.2 酞菁類化合物45-47
• 4.3 實(shí)驗(yàn)步驟47
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論47-53
• 4.4.1 酞菁銅敏化后的P-TiO_2光生電荷行為研究48-51
• 4.4.2 外加誘導(dǎo)電場對酞菁銅敏化的P-TiO_2光伏響應(yīng)的影響51-53
• 4.5 本章小結(jié)53-54
• 參考文獻(xiàn)54-56
• 第五章 全文總結(jié)56-58
• 碩士期間已投遞和發(fā)表的論文58-59
• 致謝59-61

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