固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

    光阳极作为太阳能电池的重要组成部分，其吸收层材料的设计及性能至关重要。无机铁电体钙钛矿材料内部存在内建电场，可为光生载流子分离提供动力。但是铁电体钙钛矿材料带隙宽，电导率低，阻碍光生载流子在电场中的转移。掺杂改性可有效降低铁电体材料的禁带宽度，与具有优良电子传输能力的一维二氧化钛纳米棒（TiO₂NRs）阵列复合，既能保持铁电材料极化电场优势，又能获得合理的光电导。无机硫化物有优异的光电转化性能，二元硫化物组分简单、易于合成；三元硫化物中由于不同阳离子反应活性不同，难制备符合化学计量比和组分均匀性好的物质。本论文从光吸收层材料的设计出发，制备了铁电体钙钛矿与一维TiO₂NRs阵列半导体复合材料，同时设计、合成了二元、三元硫化物量子点材料，与一维TiO₂NRs阵列半导体复合制备出光阳极，通过Ni/Ba共掺杂铌酸钾-TiO₂NRs（KBNNO@TiO₂NRs）、Co/Ba共掺杂铌酸钾-TiO₂NRs（KBCNO@TiO₂NRs）、PbS(n)/TiO₂NRs及AgSbS₂-TiO₂NRs光电极的形貌、晶体结构和化学态分析表征，以及光电极的电化学性能和光电转化性能等测试，研究了制备条件对光电极光电转化性能的影响，阐明了上述各种光吸收层材料复合一维TiO₂NRs阵列半导体后，光电转化性能提高的机理。得出的主要结论如下：

    1、制备了Ni/Ba和Co/Ba共掺杂的KNbO₃材料（KBNNO，KBCNO），禁带宽度分别降低到1.1eV和2.38eV，利用PLD将不同掺杂比材料沉积在TiO₂NRs阵列上，形成铁电体钙钛矿-TiO₂复合材料光阳极。结果表明：与TiO₂NRs电极相比，KBNNO@TiO₂NRs（x=0.3）和KBCNO@TiO₂NRs（x=0.1）光阳极的光电流密度分别提高了5.1倍和7倍。光电流密度提高的原因是掺杂KNbO₃材料禁带宽度减小，光谱吸收范围增大；氧空位为电子捕获活性位点，能使光激发电子迅速转移到氧空位的价态上，减少了光生电子与空穴的复合，且氧空位价态上的电子寿命是激发态电子寿命的数倍，增大了光生电子注入到TiO₂NRs中的概率，使TiO₂纳米棒收集到的电子增多。

    2、采用SILAR在TiO₂NRs阵列上沉积了PbSQDs，考察了PbS(n)/TiO₂NRs的形貌、晶体结构、化学态、电化学性能、光电转化性能及单色光量子产率，结果表明：与纯TiO2NRs阵列薄膜相比，PbS(4)/TiO₂NRs光电极的光电流密度提高了5.6倍，IPCE达到78.9%，光电转化效率为0.77%。主要原因是PbS量子点的沉积扩展了光电极的光谱吸收范围，使被激发的电子-空穴对增多；适当负载量的PbS量子点能避免团聚现象，增大了量子点/电解液之间的接触面积，有利于TiO₂/量子点/电解液界面之间的电子传输，加速了电子注入到TiO₂NRs中的速率，减少了电子和空穴的复合，提高了光电转化效率。

    3、以APTS自组装膜为模板，采用一步溶剂热法合成了高质量的三元硫化物AgSbS₂微球。结果表明：AgSbS₂实心微球平均直径为450 nm，符合化学计量比、无其它产物、表面光滑、具有良好稳定性，可吸收600 nm以下的太阳光。以油胺和油酸分别为Ag⁺和Sb³⁺的表面活性剂，控制金属离子的反应活性。采用改进的溶剂热法，合成了直径为20 nm的AgSbS₂纳米颗粒。结果表明：AgSbS₂纳米颗粒符合化学计量比、晶体结构为立方晶型、可吸收波长小于630 nm的太阳光谱、禁带宽度为1.97 eV。将TiO₂纳米棒薄膜基底浸渍在合成的AgSbS₂纳米颗粒中得到AgSbS₂-TiO₂NRs光电极，其光电流密度提高了3.6倍。