纳米二氧化钛

掺氮和硒化镉量子点敏化纳米二氧化钛膜在太阳能转化上的应用 掺氮二氧化钛(二氧化钛/ N)的纳米薄膜已经以六次甲基四胺(HMT)作为掺杂源采用溶胶-凝胶法制得。通过连接分子,巯基乙酸(TGA)合成的二氧化钛/N薄膜已经和硒化镉量子点敏化了。是否量子点敏化的薄膜的光学,形态,结构和光性能已通过原子力显微镜(AFM),透射电子显微镜,X射线光电子能谱,拉曼光谱仪,紫外可见光谱和光电化学技术征了。原子力显微镜测量表明,薄膜的厚度为150和1100纳米可以很容易制得,二氧化钛的平均颗粒为100纳米。透射电子显微镜显示了一个均匀分布的硒化镉量子点在敏化TiO 2/薄膜中的应用。用HMT(六次甲基四胺)掺杂的二氧化钛晶格已经由光电子能谱证实为0.6-0.8%。晶相中的差异是由HTM的前体,硝酸,和聚乙二醇(PEG)造成的,用X射线衍射和拉曼光谱鉴定。由此产生的晶相二氧化钛/不一,但是是一个锐钛矿,板钛矿和金红石相的混合物。紫外可见吸收光谱表明,掺杂氮的二氧化钛会导致一个红色转移吸收到可见光区域,在约600纳米处起效。掺杂氮还负责增强纳米二氧化钛薄膜的光响应在可见光区域内,相对于未掺杂的二氧化钛薄膜。此外,用TGA连接的硒化镉量子点和二氧化钛纳米粒子,发现薄膜的光电流和功率转换与的二氧化钛/无量子点敏化薄膜相比显着增加。入射光子- 电流转换效率(IPCE)对于TiO2/N-TGA-CdSe固态太阳能电池在400纳米处是6%,对于TiO2/N-TGA-CdSe薄膜在硫化钠电解质中接近300纳米处是95%。这比未用量子点敏化掺杂的二氧化钛或无量子点敏化的二氧化钛高得多。功率转换效率(?)被认为是0.84%,有一个27.7%(FF%)的填充因子,与1100纳米厚的TiO2/N-TGA-CdSe薄膜。结果表明,结合掺氮和量子点敏化二氧化钛薄膜,对在近紫外和可见光区加强光反应是一种有效的和有前景的方法,这是重要的潜在的光伏(太阳能)和光电应用。 1.引言 近年来,由于化石燃料成本的加高和全球气候变化的不利影响,人们对寻找可持续的替代能源(SAE)的来源越来越感兴趣。光伏(PV)电池已得到显着的注意,由于来自太阳的光子无限的涌入。最近的市场能量预测能源平价在传统能源生产和光伏发电成本美分每千瓦小时(美分/千瓦?)之间,只在5-8年内。1硅太阳能电池,太阳能转换效率达到20%;然而,制造过程是非常昂贵,而且涉及在半导体行业所固有的有毒化学品的使用。 到目前为止,已经有关于两个类型的纳米半导体的太阳能电池的报道, Gr?tzelsolar电池,以染料敏化纳米半导体薄膜为基础,2和量子点太阳能电池,以半导体纳米粒子(硒化镉)的复合膜和格林汉姆等三人对共轭聚合物的研究为基础。格莱才尔在1991年的初步报告,提出了染料敏化纳米晶太阳能电池以7%的效率将光转化为电能。染料敏化太阳能电池(DSSC)由二氧化钛纳米粒子组成,作为一个高度多孔,宽带隙半导体,电子受体层。在染料敏化太阳能电池中,可见光吸收染料分子吸附到二氧化钛表面作为增敏剂是为获得更多更多的太阳辐射通量。照射下,光激发的染料分子注入电子到二氧化钛层,通过多孔的二氧化钛层输送和用在玻璃表面上的一个导电的掺氟氧化锡层收集。氧化染料用液体电解质再生,最高的效率约10%。格林汉姆考察了作为一个有机无机混合系统的共轭聚合物和半导体纳米晶体之间的界面处电荷分离和运输过程。一个量子效率高达12%,已用高浓度的纳米晶体报道了,纳米晶体和聚合物为电极提供了连续的通路。复合材料的吸收,电荷分离,和输送性质被发现是一个大小,材料,和 纳米材料表面配体利用的功能。 二氧化钛和氧化锌纳米粒子是纳米材料用于潜在的低成本光伏装置的很好例子,光伏装置可用于光催化和当作硅太阳能电池技术的替代进行能量转换。二氧化钛(TiO 2),或二氧化钛,存在于三个晶相中,锐钛矿,金红石和板钛矿。红金石和锐钛矿被发现主要使用在光伏电池,光电化学电池(PEC),和光催化应用中。相反,板钛矿相还没收到类似的关注,也许是因为它是最难生产的一种薄膜。二氧化钛具有很宽的带隙(3.2eV)且只能吸收5%的太阳能光谱,导致了在太阳能电池应用上的转化率不佳。非金属掺杂的二氧化钛纳米粒子和纳米管已被能在二氧化钛带隙中产生电子态,从而延长光响应到可见光区并提高催化活性。最近对TiO2/N 和ZnO/N的研究在缩小带隙和用掺氮增加捕光效率已经取得成功,进一步的研究一直将重点放在由此产生光电特性和生产SAE的光催化活性。几种不同的合成方法已经制定来生产TiO2/N。通常的掺杂过程中涉及到使用氨作为氮源通过溶胶- 凝胶,热,或热液的化学方法。 一个替代的方法来获得TiO2/N涉及使用HMT通过化学和机械化学过程。这个结果在晶相不同的组成上的影响表明增加光催化活性和光电特性,有特定形态产生。氮掺杂在二氧化钛中可以间隙或置换,后者是更有效的,结果是N 2p 和O 2p态混合并有助于带隙变窄。技术已用于研究N掺杂二氧化钛晶体,包括XPS,EPR拉曼光谱仪,X射线衍射,和吸收光谱。理论研究支持可见吸收和由此产生的黄色TiO2/N薄膜和粉末。 替代技术用于增加光响应此外掺杂包括可调谐窄带隙半导体纳米粒子或量子点(QDs)如硫化镉,硒化镉和碲化镉,用于敏化宽带隙半导体如金属氧化物,例如,二氧化钛和氧化锌。量子点的大的消光系数强烈地吸收可见光,注入电子到金属氧化物的传导带,从而有助于增加太阳能的转换。附着硒化镉量子点的纳米二氧化钛已用一个双分子链接的浸泡方法证明是成功的。硒化镉在二氧化钛纳米粒子和纳米管上的声化学,光沉积和化学浴沉积也为光催化应用而研究。然而,使用量子点以提高二氧化钛基太阳能电池的效率仍然是一个积极探索的领域。 在这项工作中,我们展示了一个比较简单的方法来用氮掺杂纳米二氧化钛同时也有效地用硒化镉量子点敏化了掺杂的纳米粒子。纳米薄膜已经用一个实验技术的结合来定性了它在结构,光学和形态学上的特性。结果表明,当氮掺杂和量子点敏化同时应用时,光响应明显增强,转换效率明显提高。可能的解释由薄膜在其形态和光学性能方面提供。这种以联合掺杂和量子点敏化的方法对固态光伏电池和广电应用是很有前景的。 3.结果 氮掺杂的二氧化钛纳米膜中的氮量用光电子能谱技术鉴定。图2显示了二氧化钛-3膜的光电子能谱。图2a显示了Ti 2p, O 1s, C1s, N 1s,和Sn从0到1000eV (Sn是从导电膜确定)的结合能。图2b显示氮结合能只能从396到408eV,显示在400和401.2以上的两个峰值。为了比较HMT和PEG的效果,二氧化钛-3膜有37.45%的碳,0.60%的氮,50.16%的氧,和11.79%的钛。二氧化钛-4膜表明碳和氮的元素组成为39.93%和0.80%,分别有48%的氧和11.27%的钛。图3显示了为确定晶相TiO2 和TiO2/N.而准备的全部膜的X射线衍射谱。图 1 TiO2/N-TGA-CdSe电池在一个(a)硫化钠和一个(b)固体电解质中的光伏示意图.(c) TiO2-3 和TiO2-4的表征用硒化镉联合一个双功能分子在一个多孔膜中热重分析(分别在二氧化钛合成中用HMT模型和HMT+PEG模型)来功能化。(d)一 个TiO2-1-TGA-CdSe膜(不含硝酸)和一个TiO2-2-TGA-CdSe膜(在二氧化钛合成中用硝酸)的表征是低孔隙。 所有的X射线衍射数据表明导电玻璃(SnO2/F)的晶相被标记为SnF。二氧化钛-1膜(不含硝酸)的X射线衍射图谱(图3a)是锐钛矿晶相的代表。对于二氧化钛-2膜(含硝酸),板钛矿和金红石以锐钛矿,板钛矿和金红石相的混合出现(图3b)。HMT添加到二氧化钛-3膜,板钛矿和金红石混合物相占主要,有微量的锐钛矿(图3c)。随着PEG和HMT的进一步增加,如在二氧化钛-4膜中,板钛矿和金红石就减少了,并且以锐钛矿为主。对于不同膜的各种晶相的更多证据来自他们的拉曼光谱,拉曼光谱显示锐钛矿作为TiO2-1和TiO2-4(图四a和c)的初级阶段和一个锐钛矿,板钛矿和金红石相在TiO2-2和TiO2-3膜的混合。TiO2-3膜的拉曼光谱表征如图4b所示。由此可以看出,锐钛矿相的特征峰在144cm-1和146cm-1的氮掺杂(TiO2-3 和TiO2-4 膜)略有变化。有无量子点的膜的形态用原子力显微镜在环境条件下进行了研究。二氧化钛纳米晶粒的平均尺寸已经被发现约为100纳米的直径。含HMT(TiO2-3)或者含HMT和PEG (TiO2-4)的膜比TiO2-1 和TiO2-2 膜显示了更多孔隙。厚度约为150纳米的二氧化钛膜有代表性的AFM图像显示在图5a。对于较厚的薄膜(例如,1100纳米),对TiO2粒子进行观察,形成集群。所有的膜在他们被敏化后显示硒化镉的存在,用AFM图像所例证的TiO2-3-TGA-CdSe膜如图5b。虽然用AMF图像并不容易确定硒化镉量子点的确切大小,量子点的平均大小似乎是几个纳米的有序排列。为了更好地表征硒化镉量子点,用透射电子显微镜进行测量。图六显示了硒化镉量子点的TEM图像表征。图像似乎显示了硒化镉量子点的合理大小均匀分布,平均直径为3.5纳米。