Cu2O/TiO2全氧化物薄膜的光電化學(xué)性能

摘 要：擬通過水熱法制備TiO2（金紅石型納米棒陣列）/Cu2O（立方結(jié)構(gòu)納米晶）復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究金紅石型TiO2納米棒制備方法以及Cu2O納米晶厚度對異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電性能的影響，通過引入導(dǎo)電聚合物提高空穴傳輸率，期望能為Cu2O/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽電池的發(fā)展提供一點(diǎn)新思路。

關(guān)鍵詞：TiO2納米棒陣列；Cu2O納米晶；P3HT

一、一維納米TiO2的水熱法制備

一維納米TiO2材料如納米線、納米管、納米帶及介孔材料等，比普通納米材料有更高的比表面積，更快的電荷載流子傳輸速率，另外，一維納米材料的光生載流子沿著軸向傳遞，可以大大減小因晶界存在而引起的載流子的損失。水熱法是在高溫高壓下，以水溶液為介質(zhì)，使物質(zhì)通過溶解達(dá)到過飽和狀態(tài)從而結(jié)晶生長，此方法可以通過改變溫度、壓力、濃度、反應(yīng)時間等來調(diào)節(jié)產(chǎn)物的形貌。本課題采用提拉法制備種子層，然后再分別在有種子層和沒種子層的FTO導(dǎo)電玻璃上用水熱法制備納米TiO2棒。

二、Cu2O/TiO2納米陣列的電化學(xué)制備

Cu2O/TiO2異質(zhì)結(jié)的形貌分析。本文采用日本日立公司的S-4800-I場發(fā)射掃描電子顯微鏡來研究樣品的形貌。圖1中（a）為Cu2O納米晶的照片，（b～d）分別為在TiO2納米棒上沉積10 min、20 min、40 minCu2O的掃描照片。由圖1（a）可知Cu2O的尺寸約為200 nm，粒徑分布較為均勻。由圖1中（b～d）可知，隨著沉積時間的延長，Cu2O的量不斷增加。其中（b）中表面幾乎看不到Cu2O，（c）中表面上有少量Cu2O，（d）中Cu2O幾乎覆蓋了整個TiO2納米棒表面。

（a）為Cu2O納米晶，（b～d）分別為不同Cu2O沉積時間（10 min、20 min、40 min）的Cu2O/TiO2納米棒陣列膜

1.Cu2O/TiO2異質(zhì)結(jié)的XRD測試

本文采用D8-advance X-ray的衍射儀檢測樣品的晶型，其中λ=0.15418 nm，輻射源為Cu靶。圖2為Cu2O/TiO2異質(zhì)結(jié)的XRD圖譜，其中在 26.4°、37.7°、51.4°等處出現(xiàn)的特征峰分別對應(yīng)于FTO的（110）、（200）、（211）晶面；在36.0°、62.7°、65.4°等處出現(xiàn)的特征峰分別對應(yīng)于金紅石型TiO2的（101）、（002）、（221）晶面；在61.4°處出現(xiàn)的特征峰分別對應(yīng)于立方型Cu2O的（220）晶面。XRD圖譜中沒有其他衍射峰，說明制備的了純凈的Cu2O/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體。圖譜中的衍射峰尖銳，說明TiO2和Cu2O結(jié)晶良好，有望得到光電性能良好的半導(dǎo)體材料。

2.P3HT/Cu2O/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體的漫反射吸收光譜

采用U-3900紫外可見吸收光譜儀測定樣品的光譜吸收范圍，圖3為TiO2納米棒陣列膜，Cu2O納米晶不同沉積時間所得的Cu2O/TiO2陣列膜以及在不同Cu2O/TiO2陣列膜旋涂聚合物P3HT后的紫外-可見漫反射光譜圖。從譜線b-d可以看出，只沉積Cu2O納米晶的Cu2O/TiO2納米棒陣列膜的光吸收范圍由紫外光區(qū)擴(kuò)展到了可見光區(qū)，這可以進(jìn)一步證明Cu2O納米晶在TiO2納米棒陣列中的沉積。此外，對比譜線b-d可以得出，隨著沉積時間的延長，Cu2O納米晶的不斷增加，Cu2O/TiO2陣列膜在可見光區(qū)的吸收強(qiáng)度也在不斷增強(qiáng)。從譜線e-g可以看出，旋涂聚合物后，吸收范圍由原來的350-480 nm進(jìn)一步擴(kuò)展到了350-650 nm，且Cu2O納米晶的沉積量越大，P3HT/Cu2O/TiO2陣列膜在可見光區(qū)的光吸收越強(qiáng)。譜線b-g與譜線a比較可知單純的TiO2納米棒陣列膜在紫外區(qū)的光吸收強(qiáng)度最高，這是由于Cu2O納米晶和P3HT的沉積會對TiO2納米棒陣列膜的光吸收有遮擋作用，且沉積的量越大，遮擋作用越明顯，紫外區(qū)的光吸收也越低。

采用電化學(xué)法以五水硫酸銅為主要材料，制備出了Cu2O沉積時間不同的Cu2O/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體材料。漫反射光吸收測試結(jié)果表明Cu2O/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體的光吸收性能較單純TiO2納米棒陣列膜明顯提高了，且Cu2O的量越多，吸收性能越好。

本論文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)如下：

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TiO2納米棒陣列膜僅在紫外光區(qū)有光響應(yīng)，且燒過后光吸收性能明顯提高。由表征結(jié)果篩選出燒過的TiO2納米棒陣列膜進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

（2）結(jié)果表明，隨著沉積時間的延長，Cu2O納米晶的量在不斷增加，Cu2O為立方狀結(jié)構(gòu)，且結(jié)晶良好。光電化學(xué)測試結(jié)果與TiO2納米棒陣列膜相比，光吸收由單純的紫外區(qū)拓展到可見光區(qū)，且隨著Cu2O納米晶量的不斷增加，紫外光區(qū)的吸收有所下降，可見光區(qū)的吸收卻顯著提高。

（3）結(jié)果表明，P3HT/Cu2O/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體相對于Cu2O/TiO2異質(zhì)結(jié)的光吸收范圍明顯擴(kuò)寬了，表明當(dāng)Cu2O納米晶的沉積時間為20min時，電池的光電轉(zhuǎn)化性能達(dá)到最優(yōu)，光電轉(zhuǎn)化效率（η）、開路電壓（VOC）、短路電流（JSC）分別為0.151%、0.299V以及1.700 mA·cm2。

參考文獻(xiàn)：

張銳.薄膜太陽能電池的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用介紹[J].廣州建筑，2007，6（2）：8-10.

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