cds和cdse在tio2薄膜表面的可控沉积及光电性能研究

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1、工学博士学位论文CdS和CdSe在TiO2薄膜表面的可控沉积及光电性能研究池玉娟哈尔滨工业大学2008年6月国内图书分类号:O646国际图书分类号:110-6030工学博士学位论文CdS和CdSe在TiO2薄膜表面的可控沉积及光电性能研究博士研究生：池玉娟导师：付宏刚教授申请学位：工学博士学科、专业：化学工程与技术所在单位：应用化学系答辩日期：2008年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O646U.D.C.:1010-6030DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineer

2、ingSTUDYREGARDINGPHOTOELECTRICPERFORMANCEANDCONTROLLEDDEPOSITIONOFCdSANDCdSeONTHESURFACESOFTiO2FILMSCandidate:ChiYujuanSupervisor:Prof.FuHonggangAcademicdegreeappliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:ChemicalEngineeringandTechnologyDateofOralExamination:Jun,2008Degree-Con

3、ferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要作为太阳电池光阳极的半导体材料TiO2由于带隙宽、量子效率低而限制了其实际应用。本文制备了ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜，然后以ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜为基底，利用阴极恒电位沉积法，分别沉积窄带隙半导体CdS和CdSe，制备出ITO/TiO2/CdS和ITO/TiO2/CdSe纳米半导体复合薄膜，并研究了不同实验条件对半导体复合薄膜中沉积物粒子的平均粒径、组成及薄膜表面形貌的影响，同时将以上各半导体复合薄膜制备成太阳电池的光阳极，考

4、察了各半导体复合薄膜电极的光电性能。研究中分别以TiO2溶胶、TiO2纳米粒子、TiO2溶胶与TiO2纳米粒子混合的分散体系为前躯体，利用浸渍-提拉技术或涂敷技术制备了TiO2溶胶膜、TiO2粒子膜和TiO2溶胶-粒子膜三类薄膜。通过XRD和Raman光谱确定了所制备TiO2的晶相结构，利用SEM和AFM观察了TiO2薄膜的表面形貌，计算了TiO2粒子尺寸，通过氮气吸附-脱附实验表征了TiO2溶胶-粒子薄膜的孔道结构及薄膜的比表面积，并使用紫外吸收光谱及光电性能测试手段分析了各类TiO2薄膜的光吸收特征及光电化学性能。结果表明，TiO2溶

5、胶-粒子薄膜是一类多孔纳米晶薄膜，由锐钛矿相的TiO2粒子构成，TiO2粒子的平均粒径约10nm，且粒子分布均匀，薄膜表面具有较高的粗糙度，比表面积为2−1123m⋅g，薄膜中较丰富的孔道结构，增加了光生载流子的分离效率，该类薄膜对紫外光有较强的吸收，其光电化学性能明显好于TiO2溶胶膜和TiO2粒子膜。采用阴极恒电位沉积方法，以ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜为基底，在含有CdCl2和Na2S3O2的酸性混合水溶液中沉积CdS，制备了ITO/TiO2/CdS纳米半导体复合薄膜，并利用XRD和XPS表征了沉积物CdS的晶相结构与组成，通过S

6、EM观察薄膜的表面形貌、粒子尺寸及膜厚。根据本文实验数据及前人研究工作讨论了CdS的电沉积过程与机理。实验中，也研究了沉积电位、沉积时间、电解液的组成、实验温度等实验条件对CdS平均粒径及ITO/TiO2/CdS纳米半导体复合薄膜表面形貌的影响。研究结果表明，在ITO/TiO2表面沉积的CdS粒子具有六方结构为主的混合晶相结构，球形粒子均匀沉积于ITO/TiO2多孔纳米晶薄膜的内部及表面。在40℃、-1.00V、沉积20min条件下制备的ITO/TiO2/CdS薄膜形成菜花状的表面形貌，CdS粒子的平均粒径约8~10nm，沉积层厚度约为1

7、.885µm，薄膜中镉硫元素的原—I－哈尔滨工业大学工学博士学位论文子比接近1:1。通过控制实验的沉积电位由-0.80V负移至-1.40V，CdS粒子的平均粒径由15.0nm减小至6.2nm，薄膜中硫镉元素的原子含量也由硫富集变为镉富集，且薄膜厚度增加。沉积时间为5min的薄膜中CdS的平均粒径约5nm，形成网络状的表面形貌，薄膜厚度约为1.40µA。实验中，还利用光电流-电势曲线与光电流作用谱考察了ITO/TiO2/CdS半导体复合薄膜电极的光电化学性能及实验条件的改变对薄膜电极光电性能的影响。借助于表面光电压谱和瞬态光电流谱探讨了IT

8、O/TiO2/CdS薄膜电极中电荷传输过程。实验结果表明，窄带隙半导体CdS与宽带隙半导体TiO2的复合有效地促进了光电子与空穴的分离，增大了薄膜电极的光电流，改善了ITO/TiO2薄膜电极初