多酸/半导体复合材料的设计制备及其在光电器件中的应用

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人类的生存和社会的发展离不开能源。进入21世纪以来,能源危机和环境问题越来越严重。因此,开发和利用新型清洁能源的需求十分迫切。太阳能作为一种绿色能源,储量十分丰富,取之不尽用之不竭,环境友好,受到前所未有的重视。目前,提高光电器件中半导体材料的光电性能,已经成为一项重要的研究领域。多金属氧酸盐(简称多酸)是一种良好的电子受体,在半导体中可以捕获光生载流子,抑制光生电子与光生空穴的再结合,以此来提高半导体的光电性能。本论文将多酸作为修饰组分,制备了多种多酸/半导体复合材料,并组装成各种光电器件,考察它们的光电性能。本工作具体如下:1.利用溶液沉积法在透明导电玻璃(FTO)上制备了二氧化锡(SnO2)纳米墙薄膜,并利用浸泡法将多酸(PMo12)成功引入到SnO2薄膜当中,制备出了SnO2/PMo12光阳极。光电测试结果表明,与单纯SnO2相比,SnO2/PMo12复合膜电极的光电流响应提高了50%,光电转换效率提高了60%。这种光电性能的提高是由于在复合材料中,多酸作为一种电子浅陷阱,抑制光生电子与空穴复合,促进了光生载流子的迁移。2.利用水热法制备了SnO2纳米棒粉末。并将SnO2粉末和多酸((C4H10ON)23[HN(CH2CH2OH)3]10H2[FeIII(CN)62-P2W17O61CoII)4]·27H2O,简称HPT)混合,利用旋涂法制备了SnO2/HPT复合薄膜。通过电流-电压曲线探究其光电导性能,光电导测试结果表明,SnO2/HPT复合薄膜的光电流比单纯的SnO2提高了一倍。进一步利用复合薄膜设计了一种气体传感装置,气体传感性能测试结果表明,多酸的引入使得SnO2薄膜对甲醛和甲苯两种气体的气敏性能明显提高。光电导性能和气体传感性能性提高的原因是,在SnO2内部存在着光生电子与空穴的分离和复合,多酸的存在可以促进电子和空穴分离,并且使其迁移加快,有效地抑制了光生载流子重新结合。3.通过将多酸(PW12)引入到铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,简称CZTS)材料的前驱液中,利用溶胶凝胶法制备了PW12/CZTS复合薄膜。以此PW12/CZTS复合膜为吸收层,制作了一种反式结构的薄膜电池。利用多酸可以捕捉光生电子、抑制载流子复合并促进其迁移的能力,将电池的光电转换效率提高了37%。此外,通过荧光发射光谱分析,测试结果表明,适量的多酸可以有效地促进电子转移,形成电子浅陷阱。4.利用溶胶凝胶法和水热法分别制备了薄膜形态和粉末形态的PW12/CZTS复合光催化剂。探究了CZTS和PW12/CZTS两种薄膜对水溶液中Cr(Ⅵ)的光催化还原性能,测试结果表明,PW12/CZTS复合薄膜具有更高的光催化性能。另外利用CZTS和PW12/CZTS两种粉末光催化剂进行了光催化还原硝基苯的测试,与单纯的CZTS粉末相比,PW12/CZTS复合光催化剂展现了对硝基苯更好的光催化性能。光催化性能提高的主要原因是,多酸可以作为电子受体,有效抑制CZTS中光生电子和空穴的复合,促进载流子转移到溶液中,与污染物接触并发生氧化还原反应,从而提高光催化性能。
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