摘 要：拟通过水热法制备TiO2（金红石型纳米棒阵列）/Cu2O（立方结构纳米晶）复合异质结构，研究金红石型TiO2纳米棒制备方法以及Cu2O纳米晶厚度对异质结构光电性能的影响，通过引入导电聚合物提高空穴传输率，期望能为Cu2O/TiO2异质结构太阳电池的发展提供一点新思路。
关键词：TiO2纳米棒阵列；Cu2O纳米晶；P3HT
一、一维纳米TiO2的水热法制备
一维纳米TiO2材料如纳米线、纳米管、纳米带及介孔材料等，比普通纳米材料有更高的比表面积，更快的电荷载流子传输速率，另外，一维纳米材料的光生载流子沿着轴向传递，可以大大减小因晶界存在而引起的载流子的损失。水热法是在高温高压下，以水溶液为介质，使物质通过溶解达到过饱和状态从而结晶生长，此方法可以通过改变温度、压力、浓度、反应时间等来调节产物的形貌。本课题采用提拉法制备种子层，然后再分别在有种子层和没种子层的FTO导电玻璃上用水热法制备纳米TiO2棒。
二、Cu2O/TiO2纳米阵列的电化学制备
Cu2O/TiO2异质结的形貌分析。本文采用日本日立公司的S-4800-I场发射扫描电子显微镜来研究样品的形貌。图1中（a）为Cu2O纳米晶的照片，（b～d）分别为在TiO2纳米棒上沉积10 min、20 min、40 minCu2O的扫描照片。由图1（a）可知Cu2O的尺寸约为200 nm，粒径分布较为均匀。由图1中（b～d）可知，随着沉积时间的延长，Cu2O的量不断增加。其中（b）中表面几乎看不到Cu2O，（c）中表面上有少量Cu2O，（d）中Cu2O几乎覆盖了整个TiO2纳米棒表面。
（a）为Cu2O纳米晶，（b～d）分別为不同Cu2O沉积时间（10 min、20 min、40 min）的Cu2O/TiO2纳米棒阵列膜
1.Cu2O/TiO2异质结的XRD测试
本文采用D8-advance X-ray的衍射仪检测样品的晶型，其中λ=0.15418 nm，辐射源为Cu靶。图2为Cu2O/TiO2异质结的XRD图谱，其中在 26.4°、37.7°、51.4°等处出现的特征峰分别对应于FTO的（110）、（200）、（211）晶面；在36.0°、62.7°、65.4°等处出现的特征峰分别对应于金红石型TiO2的（101）、（002）、（221）晶面；在61.4°处出现的特征峰分别对应于立方型Cu2O的（220）晶面。XRD图谱中没有其他衍射峰，说明制备的了纯净的Cu2O/TiO2复合半导体。图谱中的衍射峰尖锐，说明TiO2和Cu2O结晶良好，有望得到光电性能良好的半导体材料。
2.P3HT/Cu2O/TiO2复合半导体的漫反射吸收光谱
采用U-3900紫外可见吸收光谱仪测定样品的光谱吸收范围，图3为TiO2纳米棒阵列膜，Cu2O纳米晶不同沉积时间所得的Cu2O/TiO2阵列膜以及在不同Cu2O/TiO2阵列膜旋涂聚合物P3HT后的紫外-可见漫反射光谱图。从谱线b-d可以看出，只沉积Cu2O纳米晶的Cu2O/TiO2纳米棒阵列膜的光吸收范围由紫外光区扩展到了可见光区，这可以进一步证明Cu2O纳米晶在TiO2纳米棒阵列中的沉积。此外，对比谱线b-d可以得出，随着沉积时间的延长，Cu2O纳米晶的不断增加，Cu2O/TiO2阵列膜在可见光区的吸收强度也在不断增强。从谱线e-g可以看出，旋涂聚合物后，吸收范围由原来的350-480 nm进一步扩展到了350-650 nm，且Cu2O纳米晶的沉积量越大，P3HT/Cu2O/TiO2阵列膜在可见光区的光吸收越强。谱线b-g与谱线a比较可知单纯的TiO2纳米棒阵列膜在紫外区的光吸收强度最高，这是由于Cu2O纳米晶和P3HT的沉积会对TiO2纳米棒阵列膜的光吸收有遮挡作用，且沉积的量越大，遮挡作用越明显，紫外区的光吸收也越低。
采用电化学法以五水硫酸铜为主要材料，制备出了Cu2O沉积时间不同的Cu2O/TiO2复合半导体材料。漫反射光吸收测试结果表明Cu2O/TiO2复合半导体的光吸收性能较单纯TiO2纳米棒阵列膜明显提高了，且Cu2O的量越多，吸收性能越好。
本论文的实验结果可以总结如下：
（1）实验结果表明，TiO2纳米棒阵列膜仅在紫外光区有光响应，且烧过后光吸收性能明显提高。由表征结果筛选出烧过的TiO2纳米棒阵列膜进行后续试验。
（2）结果表明，随着沉积时间的延长，Cu2O纳米晶的量在不断增加，Cu2O为立方状结构，且结晶良好。光电化学测试结果与TiO2纳米棒阵列膜相比，光吸收由单纯的紫外区拓展到可见光区，且随着Cu2O纳米晶量的不断增加，紫外光区的吸收有所下降，可见光区的吸收却显著提高。
（3）结果表明，P3HT/Cu2O/TiO2复合半导体相对于Cu2O/TiO2异质结的光吸收范围明显扩宽了，表明当Cu2O纳米晶的沉积时间为20min时，电池的光电转化性能达到最优，光电转化效率（η）、开路电压（VOC）、短路电流（JSC）分别为0.151%、0.299V以及1.700 mA·cm2。
参考文献：
张锐.薄膜太阳能电池的研究现状与应用介绍[J].广州建筑，2007，6（2）：8-10.
？誗编辑 李琴芳