碳納米管負載半導體納米晶的光催化聚合與光電轉換器件的制備研究.pdf

1、由于能源短缺以及可持續(xù)發(fā)展的要求,將太陽能轉化為電能即光電轉換器件的研究是目前世界關注的熱點。對于光電轉換器件的普及應用來說,降低成本以及性能提高是人類面臨必須解決的兩大問題。為了降低成本,目前功能聚合物/半導體復合材料結構的光伏器件逐漸成為發(fā)展的重要方向之一。目前這類復合材料的制備方法比較單一,多主要采用功能聚合物與無機半導體納米粒子的共混體系,一般會造成納米粒子的團聚;另外在制備過程中,由于納米半導體與聚合物之間只是物理接觸,復合材

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行分離,因此這類光伏器件的性能普遍還不高。
　　 對于光電轉換器件來說,提高其性能的根本途徑主要有:
　　 1)增大聚合物/無機半導體的界面接觸面積,優(yōu)化復合物界面性質(zhì),使得器件中材料的光生電子和空穴能有效分離,可降低復合的幾率;
　　 2)采用高載流子遷移率的材料來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,原位合成納米復合材料。由于納米粒子直接參與了聚合反應,這樣納米粒子和聚合物之間可能存在較強的相互作用,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合材料的新方法,具有光明的應用前景。
　　 在本文的研究工作里,選用高載流子遷移率的納米ZnO半導體作為電子受體,首先將其負載在碳納米管(CNT)上,然后進行半導體納米粒子的光催化聚合,制備了新型的碳納米管.無機半導

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

5、br>　　 2、在紫外輻射條件下,實現(xiàn)了碳納米管負載的納米ZnO粒子引發(fā)N-乙烯基咔唑單體聚合,首次實現(xiàn)了納米ZnO-碳納米管-PVK三元結構納米復合光電轉換材料的制備,未見文獻報道。CNT的引入使得復合材料的紫外可見吸收邊界發(fā)生紅移,說明其能夠更好地利用太陽能。
　　 3、通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熒光分析,證實ZnO與PVK的界面以及ZnO-CNT的界面處發(fā)生了光誘導的電荷轉移過程。結合XPS與ESR的結果表明,在復合材料中,PVK的

6、光生電子首先向lZnO轉移,致使PVK咔唑環(huán)被氧化,ZnO粒子被還原,然后ZnO上的電子又進一步向CNT發(fā)生轉移,從而實現(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合材料中形成交聯(lián)網(wǎng)絡,使得通過光誘導電荷轉移作用轉移到CNT上的電子能夠高效地進行傳導,減少光生電荷的復合,形成穩(wěn)定的光電流。實驗發(fā)現(xiàn):復合物中引入碳納米管后,光伏器件的光電轉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的

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