通过磁控溅射金属钛生长金红石型二氧化钛纳米片阵列应用于钙钛矿太阳能电池（英文）

本文首次通过磁控溅射方法,在FTO表面溅射一层Ti金属层,结合水热反应,原位生长TiO_2纳米片阵列(TiO_2 NSAs).经过退火处理,Ti金属层转变为致密的TiO_2层,因此基于此方法制得的金红石型TiO_2 NSAs与FTO基底具有很强的结合力.与通过原子层沉积(ALD)以及悬涂(SC)法所得的另外两种TiO_2致密层生长的TiO_2 NSAs对比发现,基于本文所述方法制备的TiO_2 NSAs作为支架层的钙钛矿太阳能电池具有最佳性能.上述结果主要是由于该TiO_2 NSAs无明显缺陷,并且在TiO_2 NSAs/TiO_2致密层/FTO界面接触很好.值得注意的是,通过优化实验条件,基于此种TiO_2 NSAs的钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率可达11.82%.     

二氧化钛在钙钛矿太阳电池中的应用

纳米TiO₂由于具有合适的禁带宽度、良好的光电化学稳定性、制作工艺简单等特点,目前广泛应用于染料敏化、量子点和钙钛矿等太阳电池中。作为电池的重要组成部分之一,纳米TiO₂晶体尺寸、颗粒大小和制备方法等明显影响电池的光伏性能,相关研究工作一直是染料敏化、量子点和钙钛矿等太阳电池方面的重点。本文综述了纳米TiO₂作为致密层和骨架层在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展,主要讨论了纳米TiO₂的不同形貌、制备方法以及结构等对电池光电性能的影响,并针对纳米TiO₂在后续对电池性能提升方面进行了展望。     

多孔TiO2层厚度对钙钛矿太阳能电池性能的影响

制备了基于不同厚度(100～500 nm)多孔TiO₂层的钙钛矿太阳能电池, 并用SEM、XRD、紫外-可见吸收谱、电压-电流曲线、电化学阻抗谱进行了表征. 研究发现, 多孔TiO₂薄膜厚度对电池性能有很大影响, 即随着多孔TiO₂薄膜厚度的增加, 短路电流略有提高, 而开路电压和填充因子呈下降趋势;但同时, 较厚的多孔TiO₂薄膜可有效减弱滞回现象. 进一步采用电化学阻抗谱和暗态电流-电压曲线研究了载流子复合. 电化学阻抗谱表明, 膜厚增加会增大载流子复合但不会改变二极管理想因子. 通过拟合暗态电流-电压曲线得到反向饱和电流, 随着膜厚增加, 反向饱和电流会增大, 从而加剧了载流子复合. 通过优化多孔TiO₂薄膜厚度, 基于150 nm多孔TiO₂薄膜钙钛矿电池的认证效率达到15.56%.     

热退火气氛对溶液法制备的Sb2S3薄膜组成、结构及光伏性能的影响

采用化学浴(CBD)法在TiO₂薄膜表面制备结晶性Sb₂S₃膜层, 获得了TiO₂/Sb₂S₃平板异质结, 并结合聚[2,6-{4,4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊并[2,1-b;3,4-b']-二噻吩}-交替-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)空穴传输层和MoO₃电极界面修饰层, 制备了FTO/TiO₂/Sb₂S₃/PCPDTBT/MoO₃/Au平板结构太阳能电池, 研究了CBD方法中热退火气氛对Sb₂S₃薄膜的组成、 结构及光伏性能的影响. 结果表明, 在N₂气氛下退火时, 所得的Sb₂S₃膜层不致密且含有Sb₂O₃杂相, 电池效率仅为0.90%; 而在N₂-S气氛下退火时, 硫会与杂相Sb₂O₃发生反应生成Sb₂S₃, 进而得到纯净、 致密、 平整的结晶Sb₂S₃膜层. 在平板结构太阳能电池中, 光生空穴对电池光电流的产生有明显的贡献; 随着Sb₂O₃杂相的消除, Sb₂S₃薄膜中载流子的复合减少且传输速率增大, 使太阳能电池器件中电子与空穴的收集效率和短路电流显著提高, 电池效率提高了1.34倍, 达到2.04%.     

CdS超薄片层包覆TiO2中空结构复合材料的形成和应用

本实验以钛酸四丁酯为钛源,醋酸镉为镉源,利用静电纺丝的方法制备了直径~250 nm的电纺丝纳米纤维。通过高温煅烧和硫化钠溶液进行水热处理,得到CdS超薄片层包覆TiO₂中空结构的纳米纤维。推测该复合结构形貌的形成过程为:在Ti/Cd(摩尔比)为1:1和2:1时,由于CdO的含量较高,反应过程中CdO溶解,并与反应溶液中的S^2-形成CdS超薄片层生长在纤维的外表面,剩余的TiO₂纳米粒子聚集形成中空的纳米管状结构;而Ti/Cd(摩尔比)为4:1和8:1时,由于溶解的CdO较少不足以形成TiO₂纳米管,同时,生成的CdS也不足以完全包覆TiO₂纳米纤维形成非管状结构。当Ti/Cd为1:1时,TiO₂@CdS复合材料具有最好的产氢活性。在300 W氙灯光照条件下和加UVCUT-420 nm滤光片下,50 mg催化剂产氢速率分别为19.7 μmol/h和3.4 μmol/h,这主要是由于所得到的复合结构中TiO₂为非晶材料。进一步在惰性气氛下煅烧,也很难将TiO₂晶化。     

微量热法和荧光显微法研究CdTe量子点敏化的纳米TiO2对大肠杆菌的抗菌活性及细胞损伤机制

通过水热合成法和自组装方法分别合成了CdTe(QDs)量子点与CdTe(QDs)敏化的纳米TiO₂复合物,并将CdTe(QDs)/TiO₂与TiO₂均配成浓度为1×10^-2 mol/L的悬浮液. 取一小环大肠杆菌(E. coli)的营养肉汤培养基至5 mL LB培养基中,则E. coli的浓度配成大约1×10⁶ cell/mL的悬浮液以作备用. 在37.0 ℃条件下,利用LKB-2277生物活性检测仪并采用停流法进行检测,研究了CdTe(QDs)/TiO₂对E. coli的抗菌行为. 通过测定和分析产热功率-时间曲线,获得细胞生长速率常数(k)、最大产热功率(P_m)、传代时间(t_G)以及抑制率(I)等热动力学常数. 结果表明：在0～4.0×10^-5 mol·L^-1浓度范围内,生长速率常数(k)和抑制率(I)均与浓度成一定的线性关系. 生长速率常数(k)和最大产热功率(P_m)随着CdTe(QDs)/TiO₂的浓度增加而下降,而传代时间(t_G)和抑制率(I)随着CdTe(QDs)/TiO₂ 的浓度增加而增加;其中,CdTe(QDs)/TiO₂的生长速率常数斜率(0.0001)小于TiO₂的生长速率常数斜率(0.0005),可以初步判断CdTe(QDs)/TiO₂对E. coli的代谢影响较TiO₂要大. TiO₂和CdTe(QDs)/TiO₂对E. coli代谢活性均有一定的抑制作用. 在相同浓度时,CdTe(QDs)/TiO₂的抑制率斜率(0.84)大于TiO₂的抑制率斜率(0.26),进一步说明了CdTe(QDs)/TiO₂相比TiO₂具有对E. coli 更强的细菌抑制作用;结合Hadama荧光显微方法,进一步佐证了CdTe(QDs)/TiO₂相对于TiO₂表面结构的改变可能是导致其抗菌效果较好的主要原因之一. 从而为深入揭示纳米材料影响微生物生长代谢过程的热动力学规律和细胞损伤机制提供理论支撑.     

Ti表面修饰纳米TiO2膜电极的电催化活性

用电化学合成法在Ti表面修饰一层纳米TiO₂膜,TEM和XRD测试表明晶型为锐钛矿型,晶粒平均尺寸为25nm.用循环伏安法、循环方波伏安法和电解合成法研究了纳米TiO₂膜电极在硫酸介质中的氧化还原行为以及对硝基苯还原的电催化活性。结果表明,纳米TiO₂膜电极具有异相氧化还原催化行为,膜中的Ti(Ⅳ)/Ti(Ⅲ)作为媒质间接电还原硝基苯为对氨基苯酚,收率和电流效率分别达91.6%和95.2%.     

基于MWCNT/TiO2对电极和硫醇盐/二硫化物非碘氧化还原电对的染料敏化太阳能电池性能

采用水热法合成出多壁纳米碳管/二氧化钛(MWCNT/TiO₂)复合物, 并作为染料敏化太阳能电池(DSSC)中对电极材料并组装成电池. 通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线粉末衍射(XRD)、同步热重-差示扫描量热(TGA-DSC)、拉曼(Raman)光谱和光电子能谱(XPS)等方法对其形貌、组成和结构进行表征. 结果表明, 酸化MWCNT表面―COOH与水热生长出的锐钛矿TiO₂表面―OH之间, 通过形成类似于O＝C―O―Ti 或者C―O―Ti 的结构, 能有效地增强复合物薄膜层与导电玻璃基底之间的相互作用. 通过循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、塔菲尔曲线(Tafel)和电池的伏安特性曲线等方法研究了该类对电极对硫醇盐/二硫化物(T-/T₂)非碘氧化还原电对的光电化学特性. 结果表明: 当MWCNT与TiO₂质量比为3:1时, 基于该复合物对电极与T-/T₂非碘氧化还原电对所组装DSSC的开路电压为0.63 V, 短路电流为15.81 mA·cm^-2, 填充因子为0.65, 光电转换效率达到6.47%.     

高长径比管式反应器内壁SiO2与TiO2钝化层的原子层沉积制备及抗积碳性能

采用原子层沉积技术(ALD)在不锈钢微通道管式反应器内壁沉积二氧化硅(SiO₂)和二氧化钛(TiO₂)薄膜, 以抑制碳氢燃料热裂解过程中由于金属催化作用导致的结焦. 使用石英晶体微天平(QCM)测得SiO₂和TiO₂薄膜的生长速率分别为0.15 nm/周期和0.11 nm/周期, 因此可以通过改变沉积周期数精确控制钝化层的厚度. 在结焦实验中, 当钝化膜层较薄时, 其抗积碳钝化作用较弱; 随着钝化薄膜厚度的增加, 其钝化作用逐渐增强, 微通道反应器的运行寿命显著延长. 实验表明, TiO₂薄膜的抗积碳钝化性能普遍优于SiO₂薄膜. 沉积周期数为1000的TiO₂膜层具有最佳的抗积碳钝化效果, 能够使反应器的运行时间延长4~5倍.     

制备二氧化钛分枝纳米棒阵列结构以提高聚合物杂化太阳电池的性能

分别采用一步水热法和两步水热法在导电玻璃(FTO)上制备了二氧化钛(TiO₂)纳米棒(NR)阵列和TiO₂分枝纳米棒(B-NR)阵列。 利用低温化学浴沉积法(CBD)在TiO₂纳米棒阵列(NRA)和TiO₂分枝纳米棒阵列(B-NRA)基底上沉积Sb₂S₃纳米粒子(NPs)。 接着分别旋涂聚-3已基噻吩(P3HT)和2,2'7,7'-四-(二甲氧基二苯胺)螺芴(Spiro-OMeTAD)组装成TiO₂(NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD和TiO₂(B-NRA)/Sb₂S₃/P3HT/ Spiro-OMeTAD为光活性层的杂化太阳电池。 结果表明,由TiO₂(NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD复合膜结构组装的杂化太阳电池的光电转换效率(PCE)是2.92%,而由TiO₂(B-NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD复合膜结构组装的杂化太阳电池的PCE提高到了4.67%。     

LaNiO3/TiO2纳米管阵列的电化学制备及其光催化性能

利用脉冲电沉积与高温退火相结合的方法制备了镍酸镧(LaNiO₃)纳米颗粒负载的二氧化钛(TiO₂)纳米管阵列. 修饰于TiO₂纳米管阵列上的LaNiO₃纳米颗粒粒径小（< 10 nm）、分布均匀、负载量可控,一些LaNiO₃纳米颗粒沉积于TiO₂纳米管内. 紫外可见吸收光谱显示,LaNiO₃/TiO₂纳米管阵列的吸收带边较TiO₂纳米管阵列明显红移,可见光吸收明显增强. 可见光下光催化降解罗丹明B（RhB）的结果表明,脉冲循环沉积500次制得的LaNiO₃/TiO₂纳米管阵列的光催化活性最佳,其对RhB光催化降解速率是TiO₂纳米管阵列的3.5倍,并且表现出极好的光催化稳定性.     

Properties of chemical vapour deposited nanocrystalline TiO2 thin films and their use in dye-sensitized solar cells

Nanocrystalline titanium dioxide (TiO₂) thin films have been prepared using titanium(IV) isopropoxide as a precursor onto the glass and fluorine doped tin oxide coated glass substrates by chemical vapour deposition technique at 400 °C substrate temperature. X-ray diffraction study confirms the polycrystalline nature of TiO₂ with anatase phase having tetragonal crystal structure. The films are 975 nm thick and transparent having transmittance grater than 80%. Atomic force microscopy (AFM) images reveal the nanocrystalline morphology with grain size of 200 nm. The film shows a sharp absorption edge near 350 nm. Photoelectrochemical study shows that TiO₂ thin film sensitized with Brown Orange dye is found to exhibit relatively maximum I_sc and V_oc among the studied dyes. The values of fill factor (FF) and efficiency (η) for the dye-sensitized solar cell (Brown Orange dye-sensitized TiO₂) are 0.54 and 0.17%, respectively. Such films would serve as better prospects for dye-sensitized solar cells.     

柔性不锈钢基底上一维TiO_2纳米线薄膜的制备及表征

采用直流磁控溅射的方法在柔性不锈钢基底(50μm)上沉积纯钛薄膜,后在NaOH碱溶液中经水热法制备了非钛基大长径比的一维TiO2纳米线薄膜,并通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及光电化学的方法对不锈钢基一维TiO2纳米线薄膜进行了表征.结果表明,纯钛薄膜的致密度、结晶性能以及与基底的结合强度均随衬底温度的升高而加强;在10mol·L-1NaOH浓度下,生长一维TiO2纳米线结构的适宜温度为130-150℃;TiO2纳米线长度达到几个微米,直径在10-30nm之间,并且相互交叉生长,构成一个三维网络结构.此外,在Na2SO4溶液中对TiO2纳米线薄膜进行了线性扫描和瞬态光电流测试,结果表明,一维TiO2纳米线薄膜电极较TiO2纳米颗粒电极表现出更优异的光电化学性能.这种磁控溅射与水热反应相结合的方法,为非钛异质基底上制备一维TiO2纳米线薄膜提供了新的思路.     

Oxide and carbide formation at titanium/organic monolayer interfaces

X-ray photoelectron spectra (XPS) are reported from a series of buried titanium/organic monolayer interfaces accessed through sample delamination in ultrahigh vacuum (UHV). Conventional characterization of such buried interfaces requires ion-mill depth profiling, an energetic process that frequently destroys bonding information by chemically reducing the milled material. In contrast, we show that delaminating the samples at the metal/organic interface in vacuum yields sharp, nonreduced spectra that allow quantitative analysis of the buried interface chemistry. Using this UHV delamination XPS, we examine titanium vapor deposited onto a C18 cadmium stearate Langmuir-Blodgett monolayer supported on Au, SiO2, or PtO2 substrates. Titanium is widely used as an adhesion layer in organic thick film metallization as well as a top metal contact for molecular monolayer junctions, where it has been assumed to form a few-atoms-thick Ti carbide overlayer. We establish here that under many conditions the titanium instead forms a few-nanometers-thick Ti oxide overlayer. Both TiO2 and reduced TiOx species exist, with the relative proportion depending on oxygen availability. Oxygen is gettered during deposition from the ambient, from the organic film, and remarkably, from the substrate itself, producing substrate-dependent amounts of Ti oxide and Ti carbide "damage". On Au substrates, up to 20% of the molecular-monolayer carbon formed titanium carbide, SiO2 substrates approximately 15%, and PtO2 substrates <5%. Titanium oxide formation is also strongly dependent on the deposition rate and chamber pressure.     

Excess capacity on compound phases of Li2FeTiO4 composite cathode materials synthesized by hydrothermal reaction using optional titanium sources to boost battery performance

Li₂FeTiO₄ composites have been produced using commercial LiAC, FeCl₂ and different titanium sources by hydrothermal synthesis (HS) at 175 ℃ and subsequent annealing at 700 ℃. Impure phase TiO₂, Fe₂O₃ and FeTiO₄ were detected out among the Li₂FeTiO₄ composites with different titanium sources. Micron and nano-sized particles of Li₂FeTiO₄ were prepared from various titanium raw materials, with nano-sized particles predominating when titanium raw materials were layered hydrogen titanate nanowire (H₂Ti₃O₇NW, HTO-NW) and titanium oxide nanotubes (TiO₂NB). The Li₂FeTiO₄ composites synthesized by HTO-NW shows a primary particle size of 50-200 nm of high crystallinity staggered with undissolved nanowire with a diameter size of about 100 nm. The samples using one-dimensional nanometer titanium oxide (TiO₂ NB) as the raw material can get a super high initial discharge capacity of 367.8 mAh/g at the rate of C/10 and excellent cycling stability. The selection of raw materials and adopting multi-phase modification can be considered as an effective strategy to improve the electro-chemical properties of Li₂FeTiO₄ composite cathode materials for the lithium secondary battery.     

The role of n–p junction electrodes in minimizing the charge recombination and enhancement of photocurrent and photovoltage in dye sensitized solar cells

The composite electrode comprising n-type TiO₂ and p-type NiO oxides when sensitized with Ru-dye showed short-circuit photocurrent (I_sc) of 17 mA/cm² and open-circuit photovoltage (V_oc) of 730 mV compared to I_sc of 12 mA/cm² and 700 mV for TiO₂ electrodes. Formation of a n–p junction between TiO₂ and NiO oxide layers contributes to the enhanced photocurrent, photovoltage, fill factor and efficiency. In addition to the junction effect, NiO acts as a barrier for charge recombination leading to higher cell performance. The efficiency of the NiO coated TiO₂ solar cell is 30% more than that of bare TiO₂. The negative shift of the flat-band potential of the NiO coated TiO₂ electrode compared to TiO₂ also could be one of the reasons for higher photovoltage observed for TiO₂/NiO electrode. The highest cell efficiencies were obtained immersing TiO₂ thin films in Ni²⁺ solution and converting them to NiO by firing and the optimum NiO coating thickness was found to be only a few angstroms. The energy levels of the excited dye and the band positions of TiO₂ and NiO suggest that the electron transfer from the excited dye to the underlying n-type oxide layer occurs by tunneling through the p-type NiO layer.     

TiO2光电化学电池催化氧化甲基红

以钛基TiO₂薄膜为光阳极，研究了光电化学电池中阳极光催化降解偶氮染料甲基红的动力学. 结果表明，短接光电化学电池分隔了光催化过程的阴、阳极反应，有利于抑制光生载流子的复合，提高光催化氧化速率. 相同实验条件下短路光电流越大，则甲基红降解速率越高. 在基底和TiO₂薄膜之间夹层SnO₂得到组装电极Ti/SnO₂/TiO₂，进一步提高了光生载流子的分离效率；同时采用电化学阻抗谱（EIS）评价了电极的光催化性能.