纳米光电材料研究简介.pdf
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1、第 2 6卷第 1 期 2 O O 3年 3月 辽宁师范大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f I n i n gN o r m a l U n i v e r s i t y(N 砒 S c i e n c eE d i t i o n)Vo 1 2 6 N o 1 Ma r 2 0 0 3 文章编号:1 0 0 0-1 7 3 5(2 0 0 3)0 1-0 0 6 3-0 5 纳米光电 材料研究简介 牛淑云,彭 鲲,寇瑾(辽宁师范大学 化学系,辽宁 大连1 1 6 0 2 9)摘要:综述了光电材料的研究现状和应用前景,介绍了光电材料的分类和光电转化原理,并且着重阐述了纳
2、米光电 材料的性质特点、制备方法以及表面修饰 最后,对其表征方法做了简要介绍 关键词:纳米;半导体;光电材料;表面修饰 中图分类号:0 6 4 9 文献标识 码:A 所谓纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料 在 2 1 世纪的今天,能源是人 类社会发展的最主要因素之一 因此,新能源及动力的革命已成为当今首要任务 实际上,将太阳能(天然光能)作为取之 不尽、环境友好的新能源的开发利用,已经越来越受到人们的重视 近年来国内外许多科学工作者正在积极研究各种办 法对太阳能进行利用和开发 目前,光电材料的研究已经在太阳能电池“、光电开关【3 4】、图象记录【5】、光存储
3、6 1、以及 光催化合成 、环境保护 8】等各方面取得了重要的进展,为太阳能及其它光能的利用开辟了广泛的途径 1 光电转化性能原理 光作用下的电化学过程即分子、离子及固体物质因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程 当一束能量等 于或大于半导体带隙(E g)的光照射在半导体光电材料上时,电子(e )受激发由价带跃迁到导带,并在价带上留下空穴(h ),电子与孔穴有效分离,便实现了光电转化 (a)n 型半导体(b)p 型半导体 图 1 光照下半 导体 光电压 的产生原理 图 以 11 型单晶硅为例【9】,当两个具有不同功函数的材料接触时,由于它们的化学势不同,在界面附近会发生相互作用 由于 r
4、 I 10(o 3:s f )透明导电玻璃是良导体;它们接触时,电子从单品硅一侧流向1 T O一侧,直至达到平衡状态;这时硅 带正电形成电子耗尽层,能带向上弯曲,使得硅与 1 T O具有相同的费米能级 表面光电压的产生是由于硅表面受到能量 大于或等于带隙宽度的光的激发,产生非平衡载流子(光生电子一空穴对),它们在 自建电场的作用下,发生定向移动。导 致表面电荷量发生改变 相应地,表面势垒也发生变化,而表面势垒变化量即表面光电压的大小,如果外电路导通,便形 成有效光电流 对于 p 型半导体,光生电子移向表面,光生空穴移向体相,11 型半导体则与之相反,其过程如图 1 所示 2 光电材料 的分类
5、2 1 按用途分类 光电转换材料:根据光生伏特原理,将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电材料 目前,小面积多结 G a Ls 太阳 收稿日期:2 0 0 2-1 2-0 9 基金项目:国家自然科学基金资助项目(9 0 2 0 1 0 1 8)作者简介:牛淑-(1 9 4 2-),女。吉林长春人,辽宁师范大学教授,博士生导师 维普资讯 http:/ 辽宁师范大学学报(自 然科学版)第2 6 卷 能电池的效率超过 4 0 L 。光电催化材料:在光催化下将吸收的光能直接转变为化学能的半导体光电材料 它使许多通常情况下难以实现或不 可能实现的反应在比较温和的条件下能够顺利进行 例如,水的分解反应,该
6、反应的 G m 0,在光电材料催化下,反 应可以在常温常压下进行 2 2 按组成分类 有机光电材料:由有机化合物构成的半导体光电材料 主要包括酞青及其衍生物 1 2,1 3】、卟啉及其衍生物 1 4,1 5】、聚苯 胺【1 6 I、噬菌调理素【n】等 无机光电材料:由无机化合物构成的半导体光电材料 主要包括 引、,i,i o t 驯、z 驯、L a F e O 2 2 2】、K C u P 0 4 6 o 刀。、c u t J 等 有机 无机光电配合物:由中心金属离子和有机配体形成的光电功能配合物 主要有2,联吡啶合钌类配合物 2 5 2 7】等 2 3 按尺度分类 纳米光电材料:是指颗粒尺度
7、介于 1 1(3 0 I n n 之间的光电材料 块体光电材料:是指颗粒尺度大于 1(30 I n n的光电材料 3 纳米光电材料的性质特点 当半导体光电材料颗粒处于纳米尺度范围内时,会显示出与块体不同的光学和电学性质,其原因是随着粒径的减小 而产生量子化的结果 由于半导体的载流子限制在一个小尺寸韵势阱中,在此条件下,导带和价带能带过渡为分立的能 级,因而有效带隙(E g)增大,吸收光谱阈值向短波方向移动,这种效应就称为尺寸量子效应 J 量子尺寸效应不仅造成 超微粒的光学性质发生变化,而且它的电学性质也有明显的不同,随着颗粒粒径的减少,有效带隙增大,其光生电子与块 体相比具有更负的电位,相应地
8、具有更强的还原性,而光生空穴因具有更正的电位而具有更强的氧化性 纳米半导体的另个显著特性就是表面效应,粒子表面原子所占的比例增大 例如,一个 5姗 c d I s 粒子约有 1 5 的原 子位于粒子表面 当表面原子数增加到一定程度,粒子性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子决定 表面原子数的 增多,原子配位不满(悬空键)以及高的表面能,导致了纳米微粒表面存在许多缺陷,使这些表面具有很高的活性 2 9】因此,纳米光电材料体现出比块体光电材料更高的光催化活性 Y o n e y a m a 等人L 3 o】在硫化锌光催化还原二氧化碳的 实验中发现:z l lS纳米颗粒的直径对反应的选择性与催化活
9、性影响很大 随着 z l l S 颗粒的减小,其催化活性与其产物甲醛 的选择性增大 另一项研究表明【8 J,T i O 2 粒径越小,光催化活性越高 在悬浮态反应器中,T i O 2 甚径为 3 0砌 时光催化活 性有一个突跃 在固定床反应器中,T i O 2 粒径为 1 0 m 时光催化活性有一类似的突跃 4 纳米光电材料制备方法 制备纳米光电材料的方法很多,附表列出几种常见的方法及它们的优缺点 附表常见的制备方法及优缺点 维普资讯 http:/ 第 1 期 牛淑云等:纳米光电材料研究简介 此外其他制备方法还有物理粉碎法、固相反应法、喷雾热分解法、醇盐水解法、溅射法、电解法、等离子气相合成法
10、等 等 驯 5 纳米光电材料表面修饰 一个具有实际应用价值的半导体光电化学体系必须具有光照稳定性,高效和选择性,以及宽的光谱响应 而一般的 半导体还不能全面满足以上要求,如金属硫化物(如 c A s)带隙能较小,响应波长范围较宽,对可见光敏感,但不稳定,易 被氧化腐蚀,而金属氧化物(如T i 0 2、z n 0)对光稳定,但其带隙较宽,只能在紫外区(3 8 0 ri m)显示光化学活性,光吸收 尚达不到照射到地面太阳光谱的 1 0,所以,对半导体进行表面修饰是非常必要的 通过表面修饰,可以把光响应范围扩 展至可见区,有效阻止电荷在转移过程的复合,从而提高对太阳能的利用并改善其催化活性 常见的方
11、法包括:染料表面 敏化,贵金属表面沉积,半导体复合,金属离子掺杂等 5 1 染料表面敏化 有色的有机和无机化合物经化学吸附或物理吸附在高比表面的半导体光催化剂上使宽能隙的半导体表面敏化 这 种敏化作用能增加光激发过程的效率,也能扩展激发波长范围到可见区 V o 因 e l 等人【柏】发现有机染料能敏化卤化银,这种 光敏化在卤化银成像和电子照相方面起着重要作用 这方面的工作可提高大带隙半导体在可见区的光响应 目前,染料的敏化主要应用于光催化反应和光电池的研制,其原理如下图所示 J,敏化剂经光照激发一个电子跃迁 到分子的三线激发态或单线激发态 如果半导体的导带能级相对于激发态敏化剂的氧化电势更正一
12、些,激发态敏化剂的 电荷将注入半导体导带上,随后导带电子转移还原吸附在其表面的受体,这个受体作为氧化还原电对使敏化剂再生,如 果没有氧化还原电对存在,敏化半导体体系中电荷转移后敏化分子本身被氧化降解,此效应在有色有机污染物的降解中 得到应用 s:敏化荆(基态)S :4 t 化荆(激发态)S :敏化荆(氧化态)A:受体 敏化荆激发+电子转移 电子转移给 受体 敏化 钠再 生 图2 敏化半导体的激发、电荷 转移过 程示意图 在光电池研究中,以往大多数染料敏化的光电转换效率 比较低(1)1 9 9 1 年,G m e t z l e 等人 2】以 n 多孔膜为半 导体电极,用联毗啶钌敏化,使光电转换
13、效率达 7 1 一7 9,但它在近红外区的吸收很弱,其吸收光谱与太阳光谱还不 能很好的匹配 1 9 9 3年,Q瞅z l e 等人 位】又报道了他们研制的一种新型染料敏化剂 l l u I X 2(L为 2,2 -b i,4 -d i c a r-b o x y l i c a c d,x=C I 一,B r 一,I 一,C N 一,S C N 一),用它制成的光电化学电池,总光电转换效率为 1 2 文献【4 3】报道了酞青、卟啉 共吸附敏化对纳米晶T i 0 2 电极光电转换的影响,发现其转换效率与单一染料敏化相比有明显提高,并且吸收峰值红移 5 2 贵金属表面沉积,金属对半导体光催化性质的
14、修饰实际上是通过改变体系中电子的分布实现的,通常半导体表面沉积贵金属对改善 光催化反应效率和选择性,特别在有气体逸出的情况下是很有效的 常用的贵金属有 P t、A u、A g、P d 等 金属一 半导体体系中研究得最普遍的是 P t-T i 0 2 体系 研究表明,P t 以原子簇形态沉积在半导体表面 光激发后,光生 电子从半导体的导带迁移到金属内而被捕获,因而电子 空穴的复合得到抑制 P t 在 T i 0 2 表面沉积有利于含有气体。尤其 是氢气的光催化反应 此外,其它贵金属对半导体也有类似的电子修饰效应 银在 T i 0 2 表面的修饰也能提高光解乙醇得 到氢气的产量,其原理与 P t
15、的修饰相同 但在提高氢气产量方面,曾 m0 2 的效果没有 P t-T I O 2 的好 柏】5 3 半导体复合 半导体复合是把两种不同禁带宽度的半导体通过各种方法组合在一起,其实质就是一种颗粒对另一种颗粒的修饰 偶合半导体的互补性质能增强电荷分离 抑制电子 空穴的复合和扩展光致激发波长范围,从而显示了比单一半导体具 有更好的稳定性和催化活性 常见的复合体系有 C A S 0 2、C A S-Z n O、C 南P 2-T h、C 南P 2-7-、C a S-A g I 等,其中研究得最普 遍、最深入的体系是 c )2 体系 如图所示,C A S(E g=2 5 e v)可被波长短于 5 0 0
16、 n m的可见光激发,但 T i 0 2(E g=3 2 e V)t 能被短于 3 8 0姗 的紫外光 激发 如有一激发光不能直接激发半导体 n 部分,却足够能激发 C A S价带上的电子跃迁到导带上 C AS 激发后价带产 生的空穴保留在 C A S 粒子上,同时电子迁移到比C A S 导带更负的T i 0 2 粒子的导带上 由于电子从 C A S 粒子迁移到n 0 2 粒 维普资讯 http:/ 辽宁师范大学学报(自然科学版)第2 6 卷 子上,使光生电子 空穴对有效地分离,被分离的电子和空穴可以自由地转 移给半导体表面上的吸附质而发生氧化还原反应,从而提高了光催化和 光电转换效率 吴风霞
17、等人】采用溶胶 凝胶法制备了掺杂 c d s 微晶的 n o 2 复合薄膜,并对其光电转换性质进行了研究,结果表明:c d s的掺入有 利于薄膜对可见光的吸收,从而提高采光效率及光电转换效率 5 4 金属离子掺杂 氧化物半导体掺杂过渡金属是半导体表面修饰的另一个有意义 的领 域 由于过渡金属的多价态,d 轨道电子的存在和掺杂离子置于半导体晶 格或表面的不同位置,掺杂过渡金属对半导体 的光电化学性质带来复杂 A S(g g-2 5 e v)n o 2(E g=3 2 e v)的影响 IAt 4 5 1 采用溶胶-凝胶法制备了 F v 5 ,t r i o 2 复合纳米微 图 一 3砸 G d I
18、 s 偶合半导体电极的能带结构示意图 粒,并对其光催化性能进行了研究 结果表明:过渡金属离子的掺入有效 地提高了光催化活性,但、7 5 的量对催化活性有直接影响,如果浓度过大,反而使活性降低 与表面修饰其它领域相比,用过渡金属离子修饰的1,o 2的相关研究开展得还很少 6 纳米光电材料的表征 透射电镜(1 协d):用于表征光电材料颗粒的尺寸大小 扫描电镜(s E M):用于表征光电材料颗粒的表面形态 x射线衍射(t D):用于表征光电材料的晶型和颗粒大小 紫外 可见吸收光潜(u v V i s):用于表征光电材料对光的吸收情况 表面光电压谱(S P s):用于表征光电材料的光伏响应大小和跃迁类
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