碳納米管負(fù)載半導(dǎo)體納米晶的光催化聚合與光電轉(zhuǎn)換器件的制備研究.pdf

1、由于能源短缺以及可持續(xù)發(fā)展的要求,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能即光電轉(zhuǎn)換器件的研究是目前世界關(guān)注的熱點(diǎn)。對(duì)于光電轉(zhuǎn)換器件的普及應(yīng)用來(lái)說(shuō),降低成本以及性能提高是人類面臨必須解決的兩大問(wèn)題。為了降低成本,目前功能聚合物/半導(dǎo)體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光伏器件逐漸成為發(fā)展的重要方向之一。目前這類復(fù)合材料的制備方法比較單一,多主要采用功能聚合物與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米粒子的共混體系,一般會(huì)造成納米粒子的團(tuán)聚;另外在制備過(guò)程中,由于納米半導(dǎo)體與聚合物之間只是物理接觸,復(fù)合材

2、料的界面性質(zhì)得不到改善,光生電子和空穴不能有效進(jìn)行分離,因此這類光伏器件的性能普遍還不高。
　　 對(duì)于光電轉(zhuǎn)換器件來(lái)說(shuō),提高其性能的根本途徑主要有:
　　 1)增大聚合物/無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的界面接觸面積,優(yōu)化復(fù)合物界面性質(zhì),使得器件中材料的光生電子和空穴能有效分離,可降低復(fù)合的幾率;
　　 2)采用高載流子遷移率的材料來(lái)提高器件中電子和空穴的遷移,從而形成穩(wěn)定的光電流。
　　 光催化聚合是一種新型的聚合方法,是

3、由半導(dǎo)體納米粒子在光激發(fā)的條件下直接引發(fā)合成聚合物,原位合成納米復(fù)合材料。由于納米粒子直接參與了聚合反應(yīng),這樣納米粒子和聚合物之間可能存在較強(qiáng)的相互作用,納米粒子與聚合物的界面性質(zhì)得到改善,因此這提供了一種制備納米復(fù)合材料的新方法,具有光明的應(yīng)用前景。
　　 在本文的研究工作里,選用高載流子遷移率的納米ZnO半導(dǎo)體作為電子受體,首先將其負(fù)載在碳納米管(CNT)上,然后進(jìn)行半導(dǎo)體納米粒子的光催化聚合,制備了新型的碳納米管.無(wú)機(jī)半導(dǎo)

4、體納米粒子-功能聚合物三元納米復(fù)合光電轉(zhuǎn)換材料。本課題主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　 l、采用溶膠-凝膠(Sol-Gel)法制備碳納米管負(fù)載的ZnO納米粒子。XRD結(jié)果表明,ZnO粒子為六角晶系纖鋅礦晶型。TEM結(jié)果表明納米粒子沿著CNT管壁生長(zhǎng),形成均勻的納米粒子層,且粒子尺寸均一,實(shí)現(xiàn)了碳納米管上納米半導(dǎo)體粒子的高負(fù)載量。Raman光譜的研究表明ZnO與CNT間有很強(qiáng)的相互作用,引起了拉曼特征峰的藍(lán)移以及峰強(qiáng)度的顯著變化。<

5、br>　　 2、在紫外輻射條件下,實(shí)現(xiàn)了碳納米管負(fù)載的納米ZnO粒子引發(fā)N-乙烯基咔唑單體聚合,首次實(shí)現(xiàn)了納米ZnO-碳納米管-PVK三元結(jié)構(gòu)納米復(fù)合光電轉(zhuǎn)換材料的制備,未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。CNT的引入使得復(fù)合材料的紫外可見(jiàn)吸收邊界發(fā)生紅移,說(shuō)明其能夠更好地利用太陽(yáng)能。
　　 3、通過(guò)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熒光分析,證實(shí)ZnO與PVK的界面以及ZnO-CNT的界面處發(fā)生了光誘導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。結(jié)合XPS與ESR的結(jié)果表明,在復(fù)合材料中,PVK的

6、光生電子首先向lZnO轉(zhuǎn)移,致使PVK咔唑環(huán)被氧化,ZnO粒子被還原,然后ZnO上的電子又進(jìn)一步向CNT發(fā)生轉(zhuǎn)移,從而實(shí)現(xiàn)光生空穴和電子分離效率的提高。
　　 4、碳納米管作為良好的電子傳輸材料可以在復(fù)合材料中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),使得通過(guò)光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移作用轉(zhuǎn)移到CNT上的電子能夠高效地進(jìn)行傳導(dǎo),減少光生電荷的復(fù)合,形成穩(wěn)定的光電流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):復(fù)合物中引入碳納米管后,光伏器件的光電轉(zhuǎn)換性能獲得了大幅度的提高。瞬態(tài)光電流最高可提高為原來(lái)的

7、7倍,IPCE％(入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率)高達(dá)30％,開(kāi)路電壓(Voc)、短路電流(Isc)以及填充因子(FF)都有較大的提高。
　　 5、半導(dǎo)體光催化聚合所制備的ZnO-PVK納米復(fù)合材料的光電轉(zhuǎn)換性能好于簡(jiǎn)單共混的復(fù)合材料。光催化聚合的復(fù)合物中ZnO與PVK的界面性質(zhì)得到改善,可促進(jìn)光致電荷轉(zhuǎn)移的發(fā)生,使材料光電轉(zhuǎn)換性能得以提升。
　　 6、最后本文提出了光伏器件中電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的整個(gè)機(jī)理與模型,為制備高性能的光電