BiOI/Bi_2S_3和Bi_2S_3/P3HT异质结薄膜的制备、表征及其光电转换性能研究

【摘要】BiOI是一种能带宽度适中、价格低廉和环境友好的p型半导体材料,它已经被广泛用于光催化降解污染物、电化学储氢和光电化学太阳能电池。之前的BiOI基光电化学太阳能电池效率都比较低,其中一个原因就是BiOI受光激发后电子和空穴没有得到有效分离。为了提高电子空穴对的分离效率,我们在本文中首次利用低温液相法制备了Bi2S3纳米球修饰的BiOI纳米片阵列BiOI/Bi2S3异质结薄膜,该方法操作简单、能耗低。我们通过XRD、SEM、TEM、XPS对薄膜的结构、形貌和组分进行了表征,结果表明所制备的异质结中BiOI为单晶结构,而Bi2S3为无定型结构。我们还通过Raman光谱、UV-vis吸收光谱、I-V、IPCE和SPV性能测试对薄膜的光学和电学性能进行了研究,结果表明异质结形成后薄膜的吸光范围得到拓宽、吸光度增加。反应适当时间形成的BiOI/Bi2S3异质结薄膜组装成光电化学太阳能电池后,能量转换效率较单独BiOI基电池效率提高一倍以上。性能最好的异质结电池短路电流密度为0.65mAcm-2,开路电压为0.50V,填充因子为0.40,能量转换效率为0.36%。通过对机理的分析我们可以得出：异质结电池光电性能的改善主要归因于载流子分离效率的提高和异质结薄膜光吸收的增加。液态光伏电池中存在电解液易泄漏、电解液会腐蚀对电极等缺点,因此科学家们近年来正在大力发展全固态太阳能电池,特别是有机-无机杂化太阳能电池(兼具无机纳米晶带隙可调、多光子效应、高介电常数和有机聚合物高消光系数、可液相合成等优点)。液态的染料敏化太阳能电池也正在向全固态电池转变。本文中我们还以直接带隙宽度为1.3eV的层状结构半导体Bi2S3作为电子传输层、具有高场效应空穴迁移率(约0.1cm2V-1s-1)的有机聚合物P3HT作为空穴传输层制备了Bi2S3/P3HT有机-无机杂化太阳能电池,它们的能级匹配,有利于载流子的分离和传输。Bi2S3薄膜的制备采用了交替溶液浸渍法,所制备的Bi2S3纳米球直径在20-50nm之间。通过对Bi2S3薄膜生长次数的优化,我们得到了短路电流密度为0.405mAcm-2开路电压为0.155V,填充因子为0.29,能量转换效率为0.0183%的电池。石墨烯的载流子迁移率高,是常温下导电性能最好的材料,其添加可以有效提高聚合物薄膜的导电率。我们在P3HT溶液中添加了2wt%的石墨烯,光电性能测试结果表明添加了石墨烯的电池能量转换效率得到显著提高,达到了0.0491%。本文的主要创新点有以下3个：1)整个BiOI/Bi2S3和Bi2S3/P3HT异质结薄膜的制备过程在低温条件进行,能耗低；以水溶液作为反应体系,没有用到有毒、有害或者昂贵试剂,合成得到的产物也无毒无害,对环境友好；无需使用其他助剂如表面活性剂等,操作简单方便,具有反应条件温和、反应周期短、得到的薄膜均匀、能够大面积制备的优点。2)Bi2S3在BiOI纳米片薄膜上原位生长,能够均匀地覆盖在BiOI表面,形成数量众多的BiOI/Bi2S3异质结,在增加吸光度的同时还可以增加载流子的分离效率,有效提高光的吸收效率和载流子的分离效率,使其光电转换效率大幅提高,最高可达到0.36%；同时避免了传统粉体物质成膜过程中引起的颗粒团聚、微观结构破坏、杂质引入、高温退火、机械稳定性差容易脱落等一系列问题；3)BiOI/Bi2S3异质结电池所使用的基底为ITO/PET柔性基底,可采用成卷连续生产等技术,便于大面积生产,降低生产成本。
【作者】方铭清；
【导师】张礼知；郑直；
【作者基本信息】华中师范大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】BiOI/Bi2S3；Bi2S3/P3HT；光电化学；异质结；有机无机杂化；太阳能电池；

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