發(fā)布時(shí)間：2018-03-10 07:22

  本文選題：氧化鋅　切入點(diǎn)：復(fù)合結(jié)構(gòu)　出處：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：ZnO是一種n型直接寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族金屬氧化物半導(dǎo)體材料,具有一系列獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和光電化學(xué)電池等能量轉(zhuǎn)換器件�；诖瞬牧�,利用了表面修飾(金納米顆粒、ZnS中間層和Al_2O_3鈍化層)和摻雜等手段,構(gòu)建了功能相互彌補(bǔ)的ZnO復(fù)合納米結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了ZnO/ZnS/Au、ZnO/Au/Al_2O_3和ZnO:V光陽(yáng)極的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。此外,成功設(shè)計(jì)合成了二維納米片/一維納米棒混合維度分級(jí)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了ZnO/CdS/Ni(OH)2異質(zhì)結(jié)光陽(yáng)極的構(gòu)建。系統(tǒng)研究了能帶調(diào)控、表面鈍化、外電場(chǎng)極化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等機(jī)制對(duì)光生載流子的產(chǎn)生、分離和復(fù)合等行為的調(diào)控作用,探索了提高光陽(yáng)極光電化學(xué)性能的有效途徑。針對(duì)能帶調(diào)控,在ZnO納米棒表面原位合成了 ZnS層和Au納米顆粒。ZnO/ZnS界面處存在的晶格應(yīng)變導(dǎo)致了界面處ZnO的禁帶寬度減小,有利于熱電子從Au注入到ZnO導(dǎo)帶,增加了光陽(yáng)極在可見光區(qū)域的光電轉(zhuǎn)換效率。ZnO/ZnS/Au的光轉(zhuǎn)氫效率分別為ZnO/Au和ZnO光陽(yáng)極的2倍和3.5倍。針對(duì)表面鈍化作用,在修飾有Au納米顆粒的ZnO納米棒上,通過原子層沉積法在ZnO表面沉積了Al_2O_3鈍化層。A1203層的表面鈍化作用減少了ZnO表面光生載流子的復(fù)合,使光陽(yáng)極的光轉(zhuǎn)氫效率提升至0.68%,分別為ZnO/Au和ZnO光陽(yáng)極的1.7倍和6.7倍。針對(duì)外電場(chǎng)極化,成功實(shí)現(xiàn)了 ZnO納米棒陣列釩摻雜的可控制備。適量釩摻雜減少了界面光生載流子的復(fù)合,增大了固液界面處能帶彎曲,促進(jìn)了光生載流子的有效分離,使光陽(yáng)極光轉(zhuǎn)氫效率達(dá)到0.83%,相比于純ZnO光陽(yáng)極效率提升了 120%。釩摻雜為ZnO納米棒引入鐵電性,利用外電場(chǎng)對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行極化,進(jìn)一步調(diào)控界面處的能帶彎曲。當(dāng)施加負(fù)偏壓極化時(shí),增大了固液界面處能帶彎曲,促進(jìn)了光生載流子的分離,使光電流的開啟電壓負(fù)移,光陽(yáng)極光轉(zhuǎn)氫效率提升至1.04%,相較于極化之前的效率提升了 25%。針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了二維ZnO納米片-一維ZnO納米棒(2D/1D)混合維度結(jié)構(gòu)的制備。FDTD模擬結(jié)果表明,該2D/1D分級(jí)結(jié)構(gòu)在增加可見光吸收材料CdS負(fù)載量的同時(shí),提升了 ZnO/CdS異質(zhì)結(jié)的有效結(jié)區(qū)面積,實(shí)現(xiàn)了光生載流子的高效產(chǎn)生和有效分離。修飾Ni(OH)2催化劑后,Ni2+/Ni3+/Ni4+一系列氧化還原反應(yīng)加速了光生空穴的消耗,使光轉(zhuǎn)氫效率提升至4.12%,為ZnO納米片光陽(yáng)極的20.6倍;同時(shí)空穴的快速消耗減少了光生空穴在CdS表面的累積,從而抑制了 CdS的光腐蝕現(xiàn)象發(fā)生,提升了光陽(yáng)極的穩(wěn)定性。本研究深入研究了不同形式ZnO基復(fù)合結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極的光電化學(xué)性能及其相對(duì)應(yīng)性能增強(qiáng)手段的工作機(jī)制。通過該研究,豐富了 ZnO納米材料在光電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,為ZnO納米材料在能量轉(zhuǎn)換器件方面的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
[Abstract]:ZnO is a kind of n-type direct wide band gap 鈪，

本文編號(hào)：1592317