納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料：合成及其在光電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中的應(yīng)用.pdf

1、太陽能被普遍認(rèn)為是一種可再生的、潔凈的、供給能力巨大的能量來源。當(dāng)前,獲取與轉(zhuǎn)換太陽能的一條可行途徑主要是利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部的光電響應(yīng)過程將入射太陽光子的能量吸收并轉(zhuǎn)化電能或化學(xué)能。傳統(tǒng)的基于大塊體半導(dǎo)體的平板光電轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)在太陽能轉(zhuǎn)換效率方面取得了可喜的進(jìn)步,然而,其轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高及加工成本的進(jìn)一步降低受到了大塊體半導(dǎo)體材料中光子吸收與載流子有效收集相互調(diào)制的限制。理論和實驗已證明,半導(dǎo)體材料的納米結(jié)構(gòu)化可有效突破大塊體半導(dǎo)體

2、平板光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的這種限制,其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：⑴半導(dǎo)體材料的納米結(jié)構(gòu)化可構(gòu)造廣泛的異質(zhì)結(jié),從而大大減少光生載流子擴散遷移的距離,即減少了光生過剩載流子在擴散遷移過程中的再結(jié)合損失；⑵通過半導(dǎo)體材料納米結(jié)構(gòu)化可大大增加半導(dǎo)體材料的比表面積,從而在一定程度上增加了半導(dǎo)體材料有效活性成分的比例；⑶特殊構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體可突破傳統(tǒng)大塊體平板半導(dǎo)體光伏中光吸收方向與光生載流子分離、遷移方向的相互調(diào)制的限制,即光吸收方向與載流子分離、

3、遷移的方向可以不同；⑷半導(dǎo)體材料納米結(jié)構(gòu)化可產(chǎn)生一些新的物理性質(zhì),例如量子限域效應(yīng)、光子晶體效應(yīng)、能帶特征或電子結(jié)構(gòu)重構(gòu)等等。這些效應(yīng)可以調(diào)控半導(dǎo)體材料的帶隙大小以及對光響應(yīng)的能力強弱等等,從而賦予了半導(dǎo)體材料豐富的、可調(diào)控的光電響應(yīng)性質(zhì)。
　　本文基于以上所述納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料可能獲得的優(yōu)異性質(zhì),主要圍繞納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的合成以及探索這些材料在太陽能捕獲及轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文主要采用水熱法、電化學(xué)刻蝕法、溶膠-凝膠法、化學(xué)溶

4、液生長法、離子交換法、交互式離子層吸附沉積法等制備了一系列納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料,主要有:TiO2納米管陣列、TiO2納米棒陣列、ZnO納米線陣列、分支ZnO納米線陣列、TiO2反蛋白型光子晶體等。進(jìn)一步的工作則是將這些材料直接作為光活性成分或作為其它光活性材料(如碳量子點、金納米晶)的載體材料,探索其在太陽能捕獲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過材料成分及結(jié)構(gòu)表征、光學(xué)表征、電化學(xué)表征等一系列技術(shù)手段闡述這些納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體納米材料在光子捕獲、光生載