纳米氧化铁复合光阳极的制备和光电化学行为研究

《纳米氧化铁复合光阳极的制备和光电化学行为研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、1.绪论随着社会的发展，煤炭、石油等不可再生资源日益减少，寻找和开发新能源成为当前人类面临的迫切课题，不可再生能源在使用过程中对生态环境的影响也不断引起人们的关注。太阳能具有无污染、资源普遍和永不枯竭等特点，该能源符合当今世环境保护和可持续发展的要求和趋势。太阳能电池的光伏效应可将太阳能直接转化成电能供人类使用，在使用中不会产生任何有害物质，是一种无污染的产品。另外太阳能电池还具有系统运行可靠，长寿命，安装使用方便等优点，所以，太阳能电池在解决能源与环境问题方面倍受青睐，是一种有着极好市场前景的产品，被誉为是理想的能源。太阳能电池可以分为三代，第一代是传统的晶体

2、硅材料太阳能电池；第二代是方兴未艾的薄膜太阳能电池；第三代则是处于设想中的新型高效太阳能电池[1]。几十年以来用半导体电极将光能转化成化学能的光电化学转化已经成为一个很有兴趣的话题，其为有效地利用水的光电解效应从水中得到氢气提供了可能性。在正在进行研究的半导体电极材料中，纳米氧化铁作为一种n型半导体，它是一类纳米粉体材料，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。由于其具有优良的生物相容性、环境友好性、稳定性、催化性、磁性、71耐光性、对紫外线良好的吸收和屏蔽效应，几十年来，纳米氧化铁在催化剂、颜料、磁记录介质、磁性涂料、汽车面漆、电子、气体传感

3、器、生物医学工程、半导体等工业领域，纳米氧化铁扮演了一个很重要的角色，并且以后有望在别的领域开发新的前途。不同形貌、尺寸的氧化铁纳米材料由于特殊的纳米效应表现出独特的优势，其具有稳定的化学性质和较高的比表面积，是一种有效的吸附剂。在环境中它可与金属离子、有机质和微生物交互作用。铁是氧化还原反应中重要的变价元素，很早之前，人们就注意到了它在水溶液中的光催化氧化反应，因此，关注氧化铁纳米颗粒的合成、表征和性能研究具有重要意义。随着能源问题的高度重视，太阳能薄膜电池技术的日益发展，纳米氧化铁的应用越来越广，据报道氧化铁薄膜的禁带宽度与太阳光谱的峰值波长接近（2.0～2

4、.3eV），因此越来越多的国内外学者把研究目光聚集在氧化铁薄膜的光电特性上，有望在光伏转换以及太阳能电池中得到应用。a-Fe2O3是一种n型半导体，禁带宽为2.1eV，理论上能吸收约40%的太阳光谱，大大超出其他宽禁带半导体如TiO2、ZnO、WO3和SnO2，加之本身对环境友好，资源丰富，成本低廉，抗腐蚀性和稳定性强的特性，被作为一种应用于太阳能电池颇具发展潜力的材料。然而，由于a-Fe2O3快的光生载流子重结合率，短的空穴扩散距离，低的空穴流动性，低的析氧反应动力学，低的平带电位，以a-Fe2O3为电极材料的电池的转化效率比较低。为了进一步克服氧化铁的差的吸

5、收能力，非常短的载流子时间，并进一步提高它的太阳能转化效率，越来越多的研究集中在纳米结构以及修改元素的修饰从而改善它的电子结构领域。本文将通过铜、钴、镍修饰氧化铁纳米晶薄膜制备方法的摸索、制备和表征等手段来研究铜、钴、镍修饰后的纳米氧化铁复合光阳极结构形貌特点和光电化学性能，通过不同元素的修饰来提高纳米氧化铁电子空穴的分离率，在前人的基础上进一步探索出制备光电化学效应相对良好的氧化铁纳米晶薄膜的最佳实验条件。1.1太阳能和光电转换711.1.1能源概述能源是人们亲密的朋友，不管是在生活中还是在工作中，都离不开它。能源虽与人们关系如此密切，但过去人们却很少谈论它，

6、其原因是，由于过去人们认为能源取之不尽，用之不竭，根本用不着过多地区关注。可是现在不同了，尤其是两次石油危机之后，人们的观点改变，明白了能源的重要性，因此才使之成为人们议论的热点。那么，究竟什么是能源呢？关于能源的定义，目前有很多种。我国的<能源百科全书>说：“能源是可以直接或经转换提供货人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”71。可见，能源是一种呈多种形式且可以相互转换的能量源泉。确切而简单地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。长期以来，世界各国在大力发展经济的同时，各行业领域的过度生产消耗了大量的能源，倘若继续按照此种趋势发展，

7、在未来的五十年里，能源危机将是影响人类生活阻碍社会进步的首要问题。目前，不同国家、地区、种类的全部能源中，能够使用的化石能源占90%以上，若是以现阶段世界各国的能源消耗状态发展到二十一世纪的中期，可供使用的能源储备、化石能源所占比例将减少50%，之后的能源需求必将是以可再生能源、核能为主。基于此种趋势，预计到2100年，在人类所使用的能源中，可再生资源将占有30%以上。可供开发、使用的可再生能源主要有地热能、生物质、风能、太阳能、潮汐能、氢能等。其中，太阳能所蕴藏的能量，是其他可再生资源能量总合的数千倍。由此可见，太阳能有着巨大的发展空间、良好的市场前景，而太阳

8、能电池凭借其能量充足、可