光电转换材料.doc

《光电转换材料.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、碳纳米管/半导体纳米复合材料的光电化学特性及其应用　　光电转换材料（photoelectricconversionmaterial）是指通过光生伏打效应将太阳能转换为电能的材料。主要用于制作太阳能电池。太阳是一个巨大的能源库，地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×1018千瓦时。研究和发展光电转换材料的目的是为了利用太阳能。光电转换材料的工作原理是：将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时，通过PN结将太阳能转换为电能。太阳能电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件，以便更好地吸收太阳光。

2、已使用的光电转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。用单晶硅制作的太阳能电池，转换效率高达20％，但其成本高，主要用于空间技术。多晶硅薄片制成的太阳能电池，虽然光电转换效率不高（约10％），但价格低廉，已获得大量应用。此外，化合物半导体材料、非晶硅薄膜作为光电转换材料，也得到研究和应用。1简介光电化学过程是在光作用下的电化学过程，它是光伏电池，光电催化等实际应用的基础，是当前十分活跃的研究领域。碳纳米管具有很高的热稳定性，良好的导电能力，大的比表面积，被认为是半导体纳米粒子的有效载体，其独特的一维结构可以为电子提供有效的传输路径。碳纳米管与半导体材料复合，能

3、实现碳纳米管和半导体在结构和性能上的协同，近年来在光电化学领域受到了广泛的关注。本文基于国内外最新研究进展，结合本课题组的研究成果，综述了碳纳米管/半导体复合材料的光电协同作用机理及其在太阳能电池、光电催化降解污染物、光电协同分解水制氢领域中的应用光电化学过程是在光作用下的电化学过程，即分子、离子及固体等因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程。在很长时间里，光电化学的研究对象主要是溶液中光激发粒子在金属电极上的反应。1991年瑞士科学家O'Regan在Nature上报道了染料敏化半导体纳米结构电极实现了较高的光电转化效率。继这一开创性的工作后，基于半

4、导体纳米材料的光电化学成为研究的热点。另一方面，自从日本科学家Iijima制得碳纳米管(carbonnanotubes’CNTs)以来，由于其独特的一维结构、大的比表面积(＞150m2·g-1)、超强的机械性能、高的热稳定性以及良好的导电能力(功函数为4.18eV，是电子的良好受体)引起了人们对碳纳米管的极大兴趣，大量的研究工作由最初的制备、结构和性能表征发展为目前主要研究碳纳米管在复合材料、储能材料、纳米器件、场发射装置、传感器和显微探针等方面的应用。碳纳米管可视为由石墨层卷曲形成的无缝空心圆柱，分为多壁碳纳米管(MWCNTs)和单壁碳纳米管(SWCNT

5、s)。由于其优越的物理化学性质和独特的结构，碳纳米管被认为是理想的电极材料和许多活性物质的载体。碳纳米管与半导体纳米材料复合，能实现碳纳米管和半导体在材料结构和性能上的协同，在场致发射器件，高分子强化材料，超级电容器，化学和生物传感器，光催化及光电子器件方面都得到广泛的应用。在光电化学领域碳纳米管所起的作用包括:(1)提高半导体电极材料的导电性;(2)为半导体上的光生电子提供快捷的传输路径(如图1)，从而抑制光生电子-空穴的复合，提高光电转换效率;(3)作为载体材料，可以有效地分散半导体纳米材料;(4)减少光反射，有利于光的吸收;(5)降低半导体材料的光腐

6、蚀。本课题组最近制备了碳纳米管与TiO2和ZnO等的纳米复合材料(图2)并研究了其电子传递和光电化学性能。本文系统地介绍了碳纳米管/半导体纳米复合材料的光电协同作用机理及其在太阳能电池，光电催化降解污染物，光解水制氢等方面的应用。图1电子沿碳纳米管传递和在纳米颗粒间传递示意图图2ZnO纳米线(a,b)和TiO2纳米颗粒(c,d)修饰的碳纳米管的SEM图(a,c)和TEM图(bd)2碳纳米管/半导体纳米复合材料的光电协同作用机理2.1基于碳纳米管和半导体材料特性的异质协同作用在所有的半导体光电材料中，TiO2是最具实用意义的一种，它具有廉价易得，光活性高，无

7、毒无害，生物和化学性质稳定，抗光腐蚀等特点。但是，TiO2导电率低，不能有效地传递光生载流子，使得光生电子和空穴极易在其表面或体内复合，而且复合在纳秒间就完成。碳纳米管具有良好的导电性，电子储量大(每32个碳原子储存一个电子)。TiO2受激发后产生的光生电子-空穴对，电子存在于TiO2的导带，空穴存在于价带;由于碳纳米管的功函高于TiO2，电子可以从导带转移到碳纳米管。这是碳纳米管可以增强半导体材料光催化活性的主要原因，其增强机理已经在相关的综述文章中详细论述。而在光电化学研究中，光电材料通常是以电极的形式出现。将光电材料固载在导电衬底上，并连接外电路。常

8、用的载体电极通常有导电玻璃(ITO/FTO)，碳纤维，金属如Ti片