以硫铁化合物为光催化剂的纳米管阵列薄膜太阳能电池的构筑及其光电性质研究

Nanotube arrays have been widely used in the application of soalr energy photovoltaic materials to enhance the capability of optical trap, which have the large special surface area, remarkably scattering of light and enhances the electron percolation pathway for vectorial charge transfer.However, by the limitation of the narrow band-gap, the TNT films which are more common used in solar cells are photochemically excited only by UV light and have the relatively low efficiency of light utilization.This project is aiming to fabricate the the iron sulfides photoelectric conversion thin films and TNT coatings loaded iron sulfides nanoparticles, which would improve the photoanodes and be applied in the solar cells field. In the present research contents, TNT films loaded with iron sulfides nanoparticles are prepared,which results in expending the photoresponse interval and enhances the charge carrier separation. And the coatings are well characterized, meanwhile, the photoelectric properties are investigated. The transfer discipline of the photogenerated charges is investigated by a transient photovoltage measurement. In addition, the method of preparing Fe2MS4 nanotube array films is investigated. To compare the capability of the photoelectric conversion between the Fe2MS4 nanotube array and Fe2MS4/TNT composite coatings, some photoelectric parameters would be investigated as the current-voltage relation curve and transient photovoltage. These studies mentioned above would propose even more ideal thin-films photoanodes materials.

纳米管阵列(Nanotube array, TNT)具有大的比表面积和较强的电子传输等特点，作为太阳能光伏材料，能提高光虏获能力。但目前较为常用的TiO2纳米管阵列存在禁带宽度的限制，其只能响应紫外光，光电转换率较低。本申请旨在制备出作为负载硫铁化合物纳米粒子的TNT涂层或硫铁化合物纳米管阵列涂层，从而改进当前的光阳极材料应用于太阳能电池领域。研究中首先制备了负载Fe2MS4纳米粒子(M=Si,Ge)的TNT涂层(Fe2MS4/TNT),从而扩展TNT的光响应区间并提高光生电子-空穴的分离效率，对该涂层进行系统的表征以及光电性质的研究，并通过瞬态光伏技术探究可见光照射下涂层中的光生电荷迁移规律。此外，还将探索Fe基Fe2MS4纳米管阵列涂层的制备技术，通过可见光下对该涂层的i-V曲线和瞬态光电压的研究，与Fe2MS4/TNT涂层进行光电转换能力的分析比对，提出更为理想的薄膜光阳极材料。

当前，在能源危机和环境问题的双重压力下，对于太阳能这一清洁可再生能源的利用是世界各国政府和科研机构最重视的研究课题之一。本项目立足于薄膜太阳能电池的核心部件—光阳极材料，对纳米结构的TiO2和硫铁化合物光阳极材料进行了系统研究。.首先，对目前常用的薄膜光阳极材料TiO2纳米管，项目在制备条件，形貌和晶体结构控制等研究基础上，补充总结了氧化条件对于TiO2纳米管形貌以及其光电性能的调控作用和机理；采用新型电化学自掺杂工艺制备出Ti3+自掺杂的TiO2纳米管阵列，优化了TiO2纳米管阵列光阳极材料的光电性能。该部分研究内容总结完善了纳米管的制备技术和机理，为当前TiO2基太阳能电池的性能优化研究提供了新的方向。.其次，分别通过阳极氧化法和气氛硫化法制备出了Fe2O3纳米管和FeS2纳米管阵列涂层；研究了纳米管阵列涂层作为光阳极材料的太阳能电池的封装工艺；将制备的硫铁化合物纳米管涂层组装成染料敏化太阳能电池并对其光电性能进行测试，分析了影响其光电转化效率的原因；此外，项目对研究中发现的FeS2纳米管阵列的光催化性能进行了系统研究。该部分研究内容将光阳极材料的研究扩展至纳米结构的硫铁化合物，为下一步硫铁化合物在光伏领域的应用奠定了基础，与此同时，对FeS2纳米管阵列催化性能的研究扩展了硫铁化合物的应用范围。.第三，通过高温烧结与高能球磨法制备出了Fe2SiS4纳米颗粒，在性能表征的基础上将其作为芬顿试剂构筑了非均相芬顿和光芬顿体系，研究发现Fe2SiS4纳米颗粒具有优异的催化降解能力；从晶体结构角度分析了Fe2SiS4具有芬顿性质的原因。该部分研究内容为新型三元硫铁化合物的制备提供了新的方法，此外，Fe2SiS4作为芬顿试剂在催化领域的应用十分具有前景。.最后，通过电泳沉积的方法成功实现了将Fe2SiS4纳米颗粒沉积于TiO2纳米管中构筑Fe2SiS4/TiO2纳米管异质结体系，探究了该复合体系在光照下的催化降解能力。研究发现，复合体系的各部分在光照条件下具有协同作用，能够有效提高体系的催化效果。该部分内容为新型异质结结构的构筑提供了新的思路和方法，同时也是太阳能清洁利用的新的途径。