纳米光电材料

纳米光电材料

张严芳 20926072

一、概述

1.1 纳米光电材料

纳米材料是一种粒子尺寸在1到100nm的材料。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。其中最重要的一点就是实现光电转化。其原理如下：

N型半导体P型半导体

图1. 光照下半导体电压的产生原理图

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( Eg) 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[1]。

1.2 纳米光电材料的分类

纳米光电材料按照不同的划分标准有不同的分类，目前主要有以下几种：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GaAs太阳能电池的效率超过40 %[2]。

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，该反应的ΔrG m﹥﹥0在光电材料催化下，反应可以在常温常压下进行[3]。

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、卟啉及其衍生物、聚苯胺、噬菌调理素等；

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Si、TiO2、ZnS、LaFeO3、KCuPO4·6H2O、CuInSe2等；

有机与无机光电配合物：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2，2-联吡啶合钌类配合物等[4]。

3.按形状分类

纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。

纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中问物态的固体颗粒材料。

一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。分为纳米线和纳米管。

纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜[5]。

1.3 纳米光电材料的性能

1. 量子尺寸效应：

用于光电的半导体材料在尺度缩小到纳米尺度时会表现出与大尺寸材料不同的光学点穴性质。这是因为当材料尺寸减小时会显现出量子化的效果。由于半导体的载流子限制在一个小尺寸的势阱中，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。量子尺寸效应除了会造成光学性质发生变化还会引起电学性质的明显改变。这是因为随着颗粒粒径的减少，有效带隙增大，光生电子具有更负的电位，相应地具有更强的还原性，而光生空穴因具有更正的氧化性。

2. 表面效应：

表面效应是纳米光电子材料的另一个重要特性。纳米粒子表面原子所占的比例增大。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。由于表面原子数的增多会导致许多缺陷，从而决定了它有更高的活性。

由此可以看出纳米光电材料比普通光电材料有更高的光催化活性。

1.4 纳米光电材料的制备方法

制备纳米材料的方法有很多，根据不同的纳米光电材料及其用途有不同的制备方法。

1.化学沉淀法：

通过在原料溶液中添加适当的沉淀剂，让原料溶液中的阳离子形成相应的沉淀物(沉淀颗粒的大小和形状由反应条件来控制)，然后再经过滤、洗涤、干燥、热分解等工艺过程而获得纳米粉体的方法。依其沉淀方式可分为：直接沉淀法和均匀沉淀法两种。TiO2常用此方法来制备。

2.溶胶凝胶法：

以无机盐或金属醇盐为前驱物，经水解缩聚过程逐渐凝胶化，然后作相应的后处理而得到所需的纳米粉体，溶液pH 值、溶液浓度、反应时间和温度是影响溶胶、凝胶质量的主要因素。此方法也常用来制备TiO2。

3.微乳法：

由水、油(有机溶剂)、表面活性剂及其助剂组成透明或半透明的，各相同性的热力学稳定体系。其中水被表面活性剂及其助剂单层包裹形成“微水池”，通过控制“微水池”的尺寸来控制粉体的大小，制备纳米物质。CdTe常用此法制备。

4.水热合成法：

在密闭体系中，以水或其他有机物作为溶剂，在一定温度和水的自生压强下，原始混合物进行反应的一种合成方法。由于反应在高温、高压、水热条件下，反应物质在水中的物性与化学反应性能发生了很大变化，而不同于一般制备方法。如制备ZnO、ZnS etc。

5.激光诱导气相沉积法：

它是利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子的激光分解、激光裂解、激光光敏化和激光诱导化学反应，获得超细粒子空间成核和生长。如制备CdMnTe etc。

二、纳米光电材料的问题及其发展

纳米光电材料要得到广泛的应用，必须具备良好的综合性能。

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。而实际的纳米光电材料不能完全满足所有的要求。对其表面进行修饰非常必要，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。常见的方法有：染料表面敏化、鬼金属表面沉积、半导体复合等等

2.1 染料表面敏化

目前研究非常的热门的染料敏化太阳能电池(DSSC)正是基于此。TiO2只对紫外光敏感，而染料吸附后可以吸收可见光区的能量，从而极大地提高太阳光的用效率。吸光后激发态的染料产生电子和空穴的分离，电子通过回路中时可以对外接负载供电。其原理图[6]如下：

图2 染料敏化太阳能电池原理图

（1）染料吸光激发DYE + hλ→ DYE*

（2）激发态的染料分子将电子注入二氧化钛的导带DYE* - e → DYE+

（3）电子穿过二氧化钛进入外电路