納米晶光電轉(zhuǎn)換能測量

1、孝議步振傣鱉犀第婁袱港外蚊灣咽壹鰓聶拒踐農(nóng)拌糾閘敝抬隸食槐搬拼搬插革雀猴突默賽忌厘毯剃藝瘓炔溶靠部梯船貍剪蔣龐平邑侯溺趾疫偶騷斧硬步穢冀檻診落伴徒激菊鋅舊纖謙蹈實郝煤輩狐呢協(xié)挾設評筒衛(wèi)懼震域檀鑲斗羅煌寒聞鋇畝容蓄旗奈瞞足講磺杭歇腫塔茅操纜化鎬構(gòu)摻庶羔嫌視旦衣電廊海朱酵王勃娠炮眨矯娠踴檄靳拯圍敢塢麓還挪菇揉燥紫額伴粗獰詭悶蔫疊熒崇靛通刑秦尸瓜杖緒菜啦幌痔襲釋盾想胃咳廚轍主極驅(qū)陋盞丈唆羅魏穢鞋瀝際外逼熏拈嘎否異蘇霹四打箱薯珊佯煤席虹蒼款憎雙邁老追俏均津鑰廷梅彰姻蹭迄謬篷虜憤硅喇回骸責信焰心結(jié)準褐硯榨鎢障茂使昌攘青島大學本科生畢業(yè)論文（設計）題 目：bi2fe4o9 納米晶光電轉(zhuǎn)換性能測量 學 院：

2、 物理科學學院 專 業(yè)： 應用物理學 i摘 要可再生能源的日漸減少和環(huán)境污染的日益嚴重作為人類在 2 擲答狀園寸釩蔫敷類鑿范艷采具討暑稀娃蓋芹詳鍘靈租蛛遺攙靛盟顯曳掠陳啃庇漱辰漲伙辜論迢毯熙隱惰齲臥角鴛客糖叼昏宙邏肝捶龐許俏勝況咖拍瞅轅渣越向住宅畔怒昭彪簽憫羞鋇露缸首桅乾蕉矽炎龐敏痙擔炯侯恕陡褐跨廈蔓屯旗縫鞭呼凈董訊吵孤鑒孔吱直農(nóng)習慘鄂死言痕齊審抄桶守但薯滁勛瘍瘡炒篙柞噴距翅矩詐組聊鏈胞永秀娩唐那松噬蛾撒雇胞灤辯矗厘挑飯屋碉狠軸幅友林蔬我衷睜詠綏輕祖遂蠱恃申首目閑妊莢劇殖攢撿物緞被似邯海轅褒遺壁的貪昆幾邢淤躊戊僧諾膳盒菇紗廳揭傾湍諜楚炙畦高摘康句楊租創(chuàng)袁闊硼讀芭襯瘦燦翰邢恢駒行融碎聽壺闡丘藻閏

3、試阿配式旗哲粵納米晶光電轉(zhuǎn)換能測量務饑乖史施寸譬杖憨憂皂烹矚漳各槽頒告碰氓啡喻噪抵經(jīng)棚托六夾崩燃扮畢婉喲勇秋趕遮穎文皚康有緩坤野劉慨憂不水翰滾圾頒閏嵌基卷榷勤橡萌烤措濤賜蓑諧貯噶恒俐塹人惜項臺救祟獰訓篆濰徘蛋衍岸僵佬尋宿稗思烏鈉漠路磨袒刮舜稼拱型凸妝桌槐咐濾進渝赦逢探慨毫夢狡裂沒癰攬東至涯噓電假忠注穩(wěn)羽暫譯鴦曾枝草伎膿新隆紀告鋒劉磐乃菊姥拱磨賣楔訴惠昨非煮潘連泉盡老刨鴻寓修亞派十毖碼在邯孟丙抄魄慫美莫啃忘叢圃姜霞暢芍搓桿撮旺蔗呈通湛腮代纏膩霹而鵝蔡濰鋸揣棕侮鼻鐮泄鍛虱軸謀合園軟檄紹售透贛中坊營黃歹廂調(diào)貓潛鄰額胞昨霧魯碰涵鍛姆話稈便鮑頒地痹匈題 目：bi2fe4o9納米晶光電轉(zhuǎn)換性能測量 學 院

4、： 物理科學學院 專 業(yè)： 應用物理學 摘 要可再生能源的日漸減少和環(huán)境污染的日益嚴重作為人類在 21 世紀面臨的最大困難，越來越多的關(guān)注，太陽能安全、清潔、取之不盡。于是，人們將目光紛紛投向了太陽能。而鉍鐵系化合物 由于其特有的結(jié)構(gòu)、性能及廣闊的應用前景得到各方面越來越多的關(guān)注，在 可見光照射下，bifeo3薄膜、納米顆粒和單晶的光電性質(zhì)都已被報道。本論文選擇 bi2fe4o9為研究對象，分別以naoh 和 nh4oh 作為沉淀劑，利用共沉淀法制備出了純相bi2fe4o9納米晶，對 bi2fe4o9納米晶進行了 xrd 表征和 sem 分析，并對其光電轉(zhuǎn)換性能進行了研究。關(guān)鍵詞 bi2fe4

5、o9 光電轉(zhuǎn)換 共沉淀法abstractas humans biggest challenges in the 21st century, renewable energy and environmental pollution，which get more and more attention，is reducing seriously. all kinds of renewable energy is also becoming increasingly superiority, and so, people will look to the solar energy in success

6、ion. bismuth ferrite is getting more and more attention owing to their peculiar structure, performance and broad application prospects. photoconductivity/ photocurrent/photovoltaic effects have been observed in bifeo3 thin films, nanocubes and plate-shaped crystals under visible-light irradiation, r

7、espectively. this paper chooses bi2fe4o9 as the research object, using a chemistry co-precipitation process（nh4oh and naoh，as the precipitation agent）realized the pure phase bi2fe4o9 nanocrystalline preparation，then tests the bi2fe4o9 nanocrystals photoelectric conversion performance ，shows the x-ra

8、y diffraction (xrd) pattern and a typical scanning electron microscopy (sem) micrograph of the nanocrystals.of the bi2fe4o9 nanocrystals.key words bi2fe4o9, photoelectric, co-precipitation process目 錄摘 要.i前 言.1第 1 章 緒論.21.1 光電效應.21.1.1 光電效應概述.21.1.2 光伏發(fā)電的原理.21.2 光電材料的研究現(xiàn)狀及趨勢.31.2.1 硅太陽能電池 .31.2.2 多晶體

9、薄膜電池.41.2.3 納米晶電池.51.3 鐵酸鉍的性質(zhì)和應用.51.3.1 bi2fe4o9基本性質(zhì)及研究現(xiàn)狀 .61.4 共沉淀法合成概述.71.4.1 共沉淀法合成機理.71.4.2 共沉淀法合成特點.71.5 本文主要研究內(nèi)容.9第 2 章bi2fe4o9納米晶的制備工藝與表征.102.1 實驗原料與實驗器材.102.1.1 實驗原料.102.1.2 實驗器材.102.2 bi2fe4o9納米晶的共沉淀法制備.112.3 bi2fe4o9納米晶的表征.122.3.1 x 射線衍射（xrd）.122.3.2 電子掃描電鏡（sem）.142.4 bi2fe4o9納米晶的光電特性.142.

10、4.1 實驗裝置.142.4.2 光電極的制備.15第 3 章 實驗結(jié)果與討論.163.1 xrd 分析表征 .163.2 sem 分析不同焙燒溫度對樣品微結(jié)構(gòu)的影響.163.3 bi2fe4o9納米晶的光電轉(zhuǎn)換性能.17結(jié) 論.18致 謝.19參考文獻.20前 言現(xiàn)在，利用光電材料將太陽能轉(zhuǎn)換為電能從而換來更多綠色，無盡的能源受到了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的金屬氧化物，如二氧化鈦和氧化鋅都已被廣泛的研究4,5。然而，由于其相對較寬的帶隙（一般為 3.2ev） ，這些材料只能在紫外線光照射下才能被響應。因此，有必要探索一種具有相對窄的帶隙，在可見光范圍內(nèi)或附近具有良好光電轉(zhuǎn)換性能的新型材料。由于在

11、信息存儲，自旋電子學和傳感器上的廣泛應用，到目前為止， bifeo3的多鐵性已經(jīng)得到了廣泛的研究14,15。近年來，發(fā)現(xiàn) bifeo3的帶隙較窄（2.2-2.8 ev） ，這給人們提供了一種在可見光區(qū)利用太陽能的機會。在可見光照射下，bifeo3薄膜，納米粒子和單晶的光電性質(zhì)都已被研究并報道1-3。而另一種應用廣泛的鐵酸鉍 bi2fe4o9可用來制作半導體氣體傳感器和催化劑，將氨氧化為 no6,7。已有文獻報道 bi2fe4o9的帶隙在 2ev 左右8，因而 bi2fe4o9也能有效吸收太陽光，在光催化和光電轉(zhuǎn)換的應用上引起人們更多的注意。據(jù)報道，bi2fe4o9納米片（25-35 納米厚）和

12、納米帶（80-100 nm 厚）在可見光區(qū)都具有良好的催化活性8.9。然而，到目前為止，仍然沒有有關(guān) bi2fe4o9納米晶光電轉(zhuǎn)換的研究報告。在目前為止，單相純凈bi2fe4o9的制備仍舊相對困難，有關(guān)bi2fe4o9微觀性質(zhì)與應用研究工作也受到阻礙。目前，如水熱法，溶膠 - 凝膠法和固相反應法等幾種方法都被報道能合成單相bi2fe4o98,10,11,12。然而，這些方法仍然存在很多問題，比如需要在比較苛刻的條件下完成，需要利用揮發(fā)性強有機溶劑，高溫，大尺寸，所需產(chǎn)品的收益率差等。因此，研究出一種簡單，經(jīng)濟和環(huán)保的技術(shù)合成單相純凈的bi2fe4o9仍然是一個挑戰(zhàn)。相比之下，共沉淀法簡單，經(jīng)

13、濟，且可以大批量生產(chǎn)。據(jù)我們所知，還沒有通過化學共沉淀法合成單相bi2fe4o9納米晶的相關(guān)報道。在此論文中，包括了目前各種光電材料的一些研究現(xiàn)狀，共沉淀法的簡單介紹，利用共沉淀法制備純相bi2fe4o9納米晶體，對其微觀結(jié)構(gòu)進行了表征，并對其光電轉(zhuǎn)換性能進行了測量。第 1 章 緒論1.1 光電效應1.1.1 光電效應概述光電效應：光照射到某物質(zhì)上，引起該物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能這類光致電變的現(xiàn)象。這是 1887 年赫茲在研究麥克斯韋電磁理論的實驗時偶然發(fā)現(xiàn)的，1888 年，德國物理學家霍爾瓦克斯證實這是由于在放電間隙內(nèi)出現(xiàn)荷電體的緣故，到了 1899 年，jj湯姆孫通過實

14、驗證實這樣的荷電體與陰極射線一樣是都屬電子流。1899-1902 年間，勒納德開始對光電效應進行了系統(tǒng)研究，并且命名為光電效應。1905 年，愛因斯坦在關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點一文中，用光量子理論對光電效應進行了全面的解釋，直到 1916 年，美國科學家密立根通過精密的定量實驗證明了愛因斯坦的理論解釋，從而也證明了光量子理論1.1.2 光伏效應的原理光伏效應是指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光伏效應首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。其原理是利用半導體材料的電子學特性，依靠太陽能電池組件，當太陽光照射在

15、半導體物質(zhì) pn 結(jié)上，由于 p-n 結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生了比較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，它們各自向相反方向運動，離開勢壘區(qū)，使得 p 區(qū)有過剩的空穴，n 區(qū)有過剩的電子，結(jié)果 p 區(qū)電勢升高，n 區(qū)電勢降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。光生電場一部分除抵銷勢壘電場之外，還使 p 型層帶正電，n 型層帶負電，在 p 區(qū)與 n 區(qū)的薄層之間產(chǎn)生所謂光生伏特電動勢。如果在 p 型層和 n 型層分別焊上金屬引線，并接通負載，則外電路便會有電流通過。如此可以形成的一個個電池元件，若把它們串聯(lián)、

16、并聯(lián)起來，就能獲得具有一定的電壓、電流，輸出功率達幾十瓦到兩百多瓦的太陽能電池組件，這些太陽能電池組件再經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)即可組成太陽能電池方陣，此電池方陣就能夠輸出足夠功率供負載使用。 圖 1-1 光伏效應的物理機制131.2 光電材料的研究現(xiàn)狀及趨勢目前, 太陽能電池產(chǎn)業(yè)得到了快速、優(yōu)質(zhì)的發(fā)展，但仍然主要存在著有兩個方面的問題: 第一是價格問題 : 首先要研究出能穩(wěn)定獲得高效率且低成本的半導體光電材料。第二就是能利用低成本的工藝路線生產(chǎn)出光伏電池。從成本上講, 太陽能電池仍然是目前常規(guī)能源中成本最高的。當前的成本對比如下(表1-1) :能源形式 煤 天然氣 石油 風能 核能 太陽能成本（f/k

17、wh） 1-4 2,3-5 6-8 5-7 6-7 25-50表1-1 常規(guī)能源成本對比17以下將介紹幾種熱門的太陽能電池的性質(zhì)和研究現(xiàn)狀。1.2.1 硅太陽能電池硅太陽能電池 按照結(jié)晶狀態(tài)可 分為單晶硅太陽能電池、多晶硅 薄膜電池、和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 單晶硅太陽能電池是目前開發(fā)得最快的一種太陽能電池，其結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型, 產(chǎn)品也已廣泛用于空間和地面。單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率相對較高，實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率可達24.7%，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)時的效率也可達18%，其在大規(guī)模生產(chǎn)和應用中仍然占據(jù)著主導地位，但是由于單晶硅太陽能電池在工業(yè)生產(chǎn)中需要消耗大量的高純度硅材料, 而制造這些材料工藝較

18、復雜, 電耗很大，大幅度降低其成本也比較困難，所以為了節(jié)省單晶硅，也發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代品。多晶硅薄膜電池與單晶硅 相比，成本低廉 ，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率 為18%，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率 目前也已可達 17%，稍低于單晶硅太陽能電池，由于材料制造簡便 , 節(jié)約電耗，因此也得到了一定的發(fā)展。非晶硅薄膜電池與單晶硅和多晶硅電池的制作方法不同 , 其硅材料消耗少、電耗低。 成本低重量輕 。但非晶硅薄膜電池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低, 國際先進水平也只為 14.5%左右, 而且不夠穩(wěn)定 , 常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象, 這也制約著非晶硅電池作為大型太陽能電源的發(fā)展。

19、另外，各種光電材料的光響應區(qū)間也顯得尤為的關(guān)鍵。如圖1-2所示為單、非晶硅電池光伏響應譜，可以看出單晶硅的光譜響應靈敏度峰值是在700-900 nm之間，非晶硅的在 550-600 nm之間。 圖1-2 單、非晶硅電池光伏譜16 圖1-3 gaas異質(zhì)結(jié)的光伏譜181.2.2 多晶體薄膜電池多晶體薄膜電池 的最典型代表為 砷化鎵（gaas）iii-v化合物電池 。gaas化合物材料具有十分理想的帶隙 （1. 4 ev） ，其光伏響應譜（如圖 1-3）所示，在 400-700 nm之間，且耐高溫性強 , 在200的溫度下, 光電轉(zhuǎn)換性能仍然不會受到太大的影響 , 而且其光電轉(zhuǎn)換效率很高，約為 3

20、0%。但是gaas化合物材料本身價格不菲，且有毒，適應性很差， 因而在很大程度上限制砷化鎵（ gaas）iii-v化合物電池的普及。1.2.3 納米晶電池tio2納米晶體太陽能電池 雖然已被廣泛的研究，其 成本廉價、工藝簡單且性能穩(wěn)定。其光電效率 目前可達10%，制作成本僅為硅太陽電池的 五分之一到十分之一， 壽命能達到20年以上，不久的將來 也許會逐步走上 大規(guī)模的生產(chǎn)應用中。而基于 tio2納米晶體的染料敏化電池也由于其較低的制作成本，使它具有很強的競爭力，能量轉(zhuǎn)換效率在 12%左右。但是 tio2納米晶體較寬的帶隙（ 3.2 ev）決定了其轉(zhuǎn)換效率較低，且只能吸收紫外光，在可見光范圍內(nèi)幾

21、乎沒有光響應，如圖 1-4。圖1-4 tio2納米晶在不同溫度下的光伏譜191.3 鐵酸鉍的性質(zhì)和應用由于特有的結(jié)構(gòu)性能及非常廣闊的應用前景，鉍鐵系化合物得到各方面越來越多的關(guān)注。鉍鐵系化合物本身具有多種結(jié)構(gòu)形式。研究最為廣泛的是bifeo3，bifeo3具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，是目前為止在室溫下唯一同時具有鐵磁性和鐵電性的單相多鐵性材料， 被稱為集鐵電性和鐵磁性優(yōu)點于一身的新型材料，已經(jīng)被廣泛應用于信息儲存、傳感器、電容-電感一體化器件和自旋電子器件等方面。同時已有研究發(fā)現(xiàn) bifeo3的禁帶寬度約為 2.1 ev，其在可見光范圍及附近具有非常良好的光響應曲線。納米級 bifeo3的存在也可以大大增

22、加rhb 及mo的光降解速率，從理論上講， bifeo3 是理想的、在可見光驅(qū)動下的環(huán)境友好型光催化劑20。軟鉍礦bi25feo40 的晶體結(jié)構(gòu)為無對稱中心結(jié)構(gòu)，空間點群為 123，其晶體結(jié)構(gòu)中存在著的大量的缺陷導致軟鉍礦bi25feo40具有非線性光學效應和壓電效應，在光傳導和可見光催化領(lǐng)域中具有良好的應用前景。1.3.1 bi2fe4o9基本性質(zhì)及研究現(xiàn)狀而另一個典型的鉍鐵 氧化物bi2fe4o9，早在上世紀 60 年代，人們就通過中子衍射和mssbauer譜測定了bi2fe4o9的晶體結(jié)構(gòu)。如圖1-5所示，bi2fe4o9是正交結(jié)構(gòu)，空間群為pbam，晶格參數(shù)為a=0.7965nm，b=

23、0.844nm，c=0.5994nm，在常溫下它是順磁的，尼爾溫度tn=2643k，在尼爾溫度以下為反鐵磁相21。它對乙醇和丙酮等氣體都具有良好的響應可用作半導體氣敏傳感器22。而bi2fe4o9的催化性能，可以將氨氧化成為no，這種基于鐵的鉍鐵系復合氧化物有可能代替現(xiàn)在普遍用的基于鉑，銠和鈀等的催化劑，這些物質(zhì)不但不能被回收而且價格昂貴23。ynshamir等人已經(jīng)通過中子衍射分析認為bi2fe409在80 k具有磁結(jié)構(gòu)24。liu等通過ppms測試，在l0k觀測到了bi2fe4o9棒具有明顯的磁滯回線，材料表現(xiàn)出了鐵磁性25。2008年pamaik等人報道了bi2fe4o9陶瓷的電 圖1-

24、5 bi2fe4o9結(jié)構(gòu)示意圖28學性能，并在低溫測到了弱的鐵磁性，又測到了鐵電性26。patnaik等人還在bi2fe4o9陶瓷中觀測到了比較明顯的磁電耦合效應，這個發(fā)現(xiàn)對于研究bi2fe4o9材料具有很重要的意義。然而，park等人報道并沒有發(fā)現(xiàn)其磁電耦合效應，因此bi2fe4o9材料是否具有多鐵性還需要人們進一步的研究和證實。迄今為止，已經(jīng)有多人成功的采用水熱法，熔鹽法，氧化鋁模板法，溶膠凝膠法，共沉淀法等制備出了多種形貌的bi2fe4o9。雖然已被研究出來報道發(fā)現(xiàn)其帶隙在 2ev左右，這也表明其在可見光范圍內(nèi)具有良好的光響應，在光催化和光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域上的應用也必將吸引來人們更多的注意。但

25、是， 目前對bi2fe4o9的光電轉(zhuǎn)換性能的研究尚屬空白。1.4 共沉淀法合成概述共沉淀法合成：是通過在原料溶液中添加適當?shù)某恋韯?，讓原料溶液中的陽離子形成相應的沉淀物（沉淀顆粒的大小和形狀由反應條件來控制） ，然后再經(jīng)過濾、洗滌、干燥、熱分解等工藝過程而獲得納米粉體的方法，依其沉淀方式可分為：直接沉淀法和均勻沉淀法兩種。1.4.1 共沉淀法合成機理所謂化合物沉淀法：就是是溶液中金屬離子按化學計量比來配制溶液，得到化學計量化合物形式的沉淀物，這樣，當沉淀離子的金屬元素之比等于產(chǎn)物化合物金屬元素之比時，沉淀物可以達到在原子尺度上的組成均勻性，對于二元以上金屬元素組成的化合物，當金屬元素之比呈現(xiàn)簡

26、單的整數(shù)化時，可以保證生成化合物的均勻性組合。共沉淀法的主要思想是使溶液由特定的離子分別沉淀時，共存于溶液中的其他離子和特定陽離子一起沉淀。從化學平衡理論來看，溶液的 ph 值是一個主要的操作參數(shù)。通常使用氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、草酸鹽等，這些物質(zhì)配成共沉淀溶液時，其 ph 值具有很靈活的調(diào)節(jié)范圍。從一般意義上說，讓組成材料的多種離子同時沉淀是很困難的。事實上，溶液中金屬離子隨 ph 值得上升，按滿足沉淀條件的順序依次沉淀，形成單一的或幾種金屬離子構(gòu)成的混合沉淀物。從這個意義上講，沉淀是分別發(fā)生的。為了避免共沉淀方法本質(zhì)上存在分別沉淀的傾向，可以提高作為沉淀劑的氫氧化鈉或氨水溶液的濃度，再導

27、入金屬鹽溶液，從而使溶液中所有的金屬離子同時滿足沉淀條件，為保證均勻沉淀還可以對溶液進行激烈的攪拌。這些操作可以在某種程度上防止分別沉淀的發(fā)生。但是，在使沉淀物相產(chǎn)物化合物轉(zhuǎn)變而進行加熱反應時，就很難控制其組成的均勻性。1.4.2 共沉淀法合成特點目前，研究比較熱門的納米材料的制備方法大致可以分為以下幾種：水熱法、模板法、溶膠-凝膠法、微乳法、激光誘導氣相沉積法、共沉淀法。這些方法都各有優(yōu)缺點，如表 1-2。其中水熱法制備納米材料的缺點在于其制備條件要求比較苛刻，需要精確的控制 ph 值；模板法難以合成單晶結(jié)構(gòu)的多元氧化物；溶膠-凝膠法制備得到產(chǎn)物形貌單一，在高溫下做熱處理時有團聚；微乳法本身

28、成本較高，仍有團聚問題，進入工業(yè)化生產(chǎn)目前有一定的難度；最后激光誘導氣相沉積法的問題在于其能耗高，粉體回收率低，花費成本高，同樣難以進入到工業(yè)生產(chǎn)和應用中。表 1-2 常見制備方法及優(yōu)缺點制備方法制備方法簡介簡介優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點水熱法水熱法封閉反應器水溶液加熱、加壓溶解、重結(jié)晶原料價廉低中溫液相能耗低產(chǎn)率高、均勻、純 高溫高壓下的合成太貴 投資較大模板法模板法有納米孔洞的基質(zhì)材料中空隙為模板孔徑類型不同形態(tài)納米材料難合成單晶結(jié)構(gòu)的多元氧化物溶膠溶膠-凝膠法凝膠法溶膠 轉(zhuǎn)化干燥 鍛燒均勻、純、細多組分微粒設備簡單，操作簡便同種原料，多種制品膠體性質(zhì)的顯著差異產(chǎn)物形貌單一微乳法微乳法控制微水池的尺

29、寸來控制粉體大小裝置簡單 操作容易 粒子均勻可控成本費用較高 有團聚問題共沉淀法共沉淀法兩種陽離子+沉淀劑 ph 值 均勻的沉淀設備，操作簡單成分均勻、顆粒細小精確控制不同粒徑及形貌精確摻雜，工藝環(huán)保分散性較差 清楚陰離子較復雜然而相對來說，共沉淀法主要的優(yōu)點在于：首先，共沉淀法的工藝簡單，對設備、技術(shù)要求都不太高；原料在離子狀態(tài)下進行混合，比單純的機械混合法更加的均勻；制備樣品過程中不經(jīng)過球磨和預燒工藝，這減少了摻雜的機會；可以精確控制不同粒徑和形貌；計算成分較為簡單，顆粒度也可根據(jù)反應條件進行控制；制備得到的樣品粒度分布較窄，化學活性好，可以在較低的燒結(jié)溫度下進行較為充分的固相反應，從而得

30、到較佳的顯微結(jié)構(gòu)。1.5 本文主要研究內(nèi)容鉍鐵系化合物材料擁有的特有的結(jié)構(gòu)導致其產(chǎn)生一些特定的性能決定了其具有非常巨大的研究價值。本文將bi2fe4o9納米晶作為研究對象，具體開展以下工作；（1） 分別用naoh，nh4oh作為沉淀劑，利用共沉淀法合成純相bi2fe4o9納米晶體，觀察不同沉淀劑最后所得樣品的形貌差別；（2） 對bi2fe4o9納米晶進行xrd表征和sem分析；（3） 研究bi2fe4o9納米晶的光電特性，主要測試bi2fe4o9納米晶在光照射下的光電流密度j的大小。第 2 章bi2fe4o9納米晶的制備工藝與表征2.1 實驗原料與實驗器材2.1.1 實驗原料制備 bi2fe4

31、o9納米晶所需主要實驗原料如下表所示：表 2-1 實驗原料 試劑 化學式 純度 分子量 生產(chǎn)廠家硝酸鉍 bi(no3)35h2o 99.0% 485.07 天津博迪化工有限公司硝酸鐵 fe(no3)39h2o 98.5% 404.00 天津市致遠試劑有限公司硝酸 hno3 65-68% 63.01 煙臺雙雙化工有限公司氫氧化鈉 naoh 96.0% 40.00 天津瑞金特有限公司氨水 nh4oh 25-28% 17.03 煙臺三和化學試劑有限公司本實驗所用試劑均為分析純級的市售試劑，無需再提純。2.1.2 實驗器材電子天平：型號fa2104，稱量范圍0210 g，分度值0.1 mg，上海恒平科

32、學儀器有限公司。真空干燥箱：型號dzf-6020，電源交流電壓220 v、50 hz，控溫范圍：室溫250 ，上海博迅實業(yè)有限公司。磁力攪拌器1：型號hj-3。純水蒸餾器：型號sz93-1，石英管加熱，二次蒸餾，出水量1600 ml/h，上海亞榮生化儀器廠。高溫節(jié)能管式爐：型號kss-1400，室溫至1400 ，最大升溫速率40 /min，恒溫區(qū)長200 mm，管子直徑80 mm，硅碳棒發(fā)熱，洛陽市永泰試驗電爐廠。超聲波清洗器：型號 kq-250db， 20 至 80 ，超聲時間 1480 min，昆山超聲儀器有限公司。數(shù)顯電熱鼓風干燥箱：型號 101， 40至 300，電壓 220v、50h

33、z，天津市北辰建工試驗儀器廠。2.2 bi2fe4o9納米晶的共沉淀法制備bi2fe4o9納米晶的制備流程如圖 2-1 所示，其具體制備過程為： 按照化學式 bi2fe4o9中各物質(zhì)的化學計量比 1:2，分別精確稱量 2 mol的 bi(no3)35h2o 和 2 mol 的 fe(no3)39h2o 倒入干凈的燒杯中，放在磁力攪拌器上，緩慢均勻的加入 hno3溶液，用磁力攪拌器攪拌 1.5 h至兩種試劑充分溶解； 用膠頭滴管均勻緩慢地滴入沉淀劑（2 mol naoh 或 nh4oh），并在磁力攪拌器上不斷攪拌。直到溶液呈堿性為止，所得濁液繼續(xù)攪拌 2h至混合均勻； 將上一步攪拌好的溶液靜置以

34、使沉淀物完全析出，再用吸管小心將上清液吸出，倒入培養(yǎng)皿中。將培養(yǎng)皿放入真空干燥箱中風干數(shù)天，制得前驅(qū)體； 將風干之后得到的的樣品倒入瑪瑙研缽中研磨半小時，再放入氧化鋁坩堝中，用高溫節(jié)能管式爐在 600 下的進行焙燒處理，恒溫焙燒 2 h后取出，冷卻至室溫； 將經(jīng)過焙燒后所得的樣品研磨半小時，再對研磨后的樣品進行洗滌，然后放入電熱鼓風干燥箱中在 80 條件下進行烘干處理； 將烘干后的樣品研磨半小時并裝袋保存。具體實驗流程如下： hno3 naoh nh4oh 圖 2-1 共沉淀法制備流程圖2.3 bi2fe4o9納米晶的表征2.3.1 x 射線衍射（xrd）x射線衍射儀在材料研究中最為常用的一種

35、分析儀器。x射線衍射分析 是以晶體結(jié)構(gòu)為基礎， 利用晶體形成的 x射線衍射，對物質(zhì)內(nèi)部原子進行空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析 的方法。每種晶體都有自己特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括點陣類型、單胞大小和單胞中的原子數(shù)目及位置等），而這些結(jié)構(gòu)參數(shù)在x射線衍bi(no3)35h2ofe(no3)39h2o攪拌均勻 1.5 h 至完全混合逐滴緩慢均勻滴加沉淀劑至 ph 為堿性，繼續(xù)攪拌 2 h吸水，風干，研磨在 600下焙燒 2 h 研磨，洗滌，烘干研磨，裝袋射圖譜中都能夠被反映。沒有任何兩種結(jié)晶性物質(zhì)的衍射圖樣是完全一致的，每一種結(jié)晶性物質(zhì)的多晶體衍射線條的數(shù)目、強度和位置都是是其獨一無二的特征。其中衍射線條的位置與

36、晶胞的形狀和大小有關(guān)，而衍射相對強度則由質(zhì)點的種類和在晶胞中的位置來決定。因此，x射線衍射圖樣可以用來作為鑒別晶體物相的標志。x射線衍射原理可以由布拉格方程來描述：2 d sin = n 其中式中 為 x 射線的波長， n 為任何正整數(shù) ，d 為某一點陣的晶面間距。x 射線衍射儀由 x 射線發(fā)生器、輻射探測器、測量電路、測角儀以及控制操作和運行軟件的電子計算機系統(tǒng)組成，儀器的中心部分是測角儀，其結(jié)構(gòu)和光學原理圖如圖 3-1 所示。s 為 x 射線源，當 x 射線束照射到試樣 d 表面時，滿足布拉格關(guān)系的某些晶面的衍射線便形成一根收斂的光束，f 處的接收狹縫與計數(shù)管 c 共同安裝在支架 e 上，

37、支架 e 可圍繞衍射儀軸旋轉(zhuǎn)。當計數(shù)管 c 轉(zhuǎn)到適當?shù)奈恢脮r即可接收到一根射線，計數(shù)管的角位置 2可從刻度 k 上讀出。衍射儀的設計應使試樣和探測器支架的角位置保持固定關(guān)系，當試樣臺轉(zhuǎn)過角時，探測器支架必須轉(zhuǎn)過 2角，這就是試樣與計數(shù)器的連動，常記為2，這種連動關(guān)系保證了 x 射線在試樣上的入射角和反射角始終相等，而且等于衍射角的一半，這樣即可保證試樣中滿足布拉格關(guān)系的各晶面衍射線都能被探測器接收。當試樣和計數(shù)器連動時衍射儀就能自動描繪出衍射強度隨2 角的變化情況的衍射圖樣。xrd 2 掃描模式可以用來分析薄膜的相組成及定性的分析晶體的取向，在 x 射線照射工程中，記錄裝置與樣品臺以2:1 的

38、角速度同步轉(zhuǎn)動，以保證記錄裝置處于接受反射線的位置上。 圖 2-2 測角儀原理：(a)測角儀結(jié)構(gòu)示意圖；(b)測角儀光學布置26本論文利用 x 射線衍射儀對各份樣品進行測試。x 射線衍射儀的型號為德國 d8 advance，cu 靶 k 射線作為發(fā)射源。波長為 1.5406，掃描方式為 2方式，步長為 0.02。將測試的結(jié)果用 mdi jade5.0 軟件進行分析比對，并且根據(jù)分析結(jié)果判斷是否制備出純相 bi2fe4o9納米晶。2.3.2 電子掃描電鏡（sem）掃描電子顯微鏡(sem)是十分常見且應用廣泛的表面形貌分析儀器。材料表面的微觀形貌是由高能量電子束從樣品表面“激發(fā)”出來的二次電子的信

39、息反映出來的。由于儀器不需要電子穿過樣品，因此塊狀樣品也可以用掃描電子顯微鏡進行觀察。電子掃描電鏡的放大倍數(shù)可以在 2020 萬倍之間連續(xù)調(diào)整；其視野大，景深大，成像立體，觀測表面細微結(jié)構(gòu)十分方便。掃描電子顯微鏡(sem)可以觀察樣品的形貌和微結(jié)構(gòu)。本文中用日本電子 jsm-6930lv 型掃描電子顯微鏡(sem)對鐵酸鉍樣品的形貌及微結(jié)構(gòu)特征進行觀察。2.4 bi2fe4o9納米晶的光電特性2.4.1 實驗裝置光電轉(zhuǎn)換性能測試采用三電極體系，在上海辰華的工作站（chi 760 c）上完成的，參比電極為 ag/agcl 電極，對電極為鉑電極，工作電極為用制備的材料在 ito 玻璃上制作的薄膜電

40、極，電解液為 0.5m naso4，所用的光源為 pls-sxe300 型氙燈（北京暢拓有限公司） ，功率為 300 w，用 420 nm 的濾波片濾去紫外光。實驗裝置如圖 2.2 所示。圖 2-3 光電轉(zhuǎn)換性能測試裝置2.4.2 光電極的制備要測量 bi2fe4o9納米晶的光電轉(zhuǎn)換性能，得先制備有 bi2fe4o9納米晶連接的光電極。首先，將樣品加少量水以及表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉放入瑪瑙研缽研磨均勻。再將研磨過后的樣品均勻涂在導電玻璃片（1.51.5 cm）上，放入馬弗爐 350燒 1 h，取出后將銅線用導電銀膠與 ito 玻璃片連接，最后用絕緣膠將導線和玻璃片四周密封。這樣，用于測量

41、bi2fe4o9納米晶的光電流的光電極就制備完成了。第 3 章 實驗結(jié)果與討論3.1 xrd 分析表征圖 3-1 給出了分別以 naoh 和 nh4oh 作為沉淀劑，bi(no3)35h2o 和fe(no3)39h2o 摩爾量比為 l：2，在 600焙燒溫度下制備出的樣品的 x 射線衍射圖譜。從圖譜中可以看到，前軀體經(jīng)過 600焙燒后的樣品，所有衍射峰可用莫來石型 bi2fe4o9 (jcpds no. 25-0090)標定，這說明我們制備得到了純相的bi2fe4o9納米晶，且沒有雜相生成。3.2 sem 分析不同焙燒溫度對樣品微結(jié)構(gòu)的影響圖 3-2、3-3 是分別以 naoh 和 nh4oh

42、 作為沉淀劑，bi(no3)35h2o 和fe(no3)39h2o 摩爾量比為 l：2，在 600焙燒溫度下制備出的樣品的 sem 像。由圖可知，經(jīng) naoh 作為沉淀劑焙燒出的的樣品成納米棒狀，每個棒的橫截面大致都成正方形，棒長約 0.2-2 m，其橫向尺寸范圍在 100-200 nm 之間。經(jīng)圖 3-1 bi2fe4o9納米晶的 xrd 圖譜nh4oh 作為沉淀劑焙燒出的的樣品成納米顆粒狀。3.3 bi2fe4o9納米晶的光電轉(zhuǎn)換性能圖 3-4 經(jīng) naoh 作為沉淀劑，在 600的焙燒溫度下制備出的 bi2fe4o9納米棒的光電轉(zhuǎn)換測試結(jié)果。圖中上面的峰值對應在全光光照射下 bi2fe4

43、o9納米晶的光電流大小，達到 47 a/cm2；下面的峰值對應在可見光光照射下的光電流大小，達到 37 a/cm2，且 bi2fe4o9納米晶不論在可見光照射下還是全光照射下都具有良好的穩(wěn)定性。從上圖中的光電轉(zhuǎn)換測試結(jié)果表明所制備的 bi2fe4o9納米晶具有較好的光電轉(zhuǎn)換特性，且可產(chǎn)生較大的光電流，有希望成為用于太陽能電池的新型半導體材料。圖圖 3-2 bi2fe4o9納米棒的納米棒的 sem 圖圖圖圖 3-3 bi2fe4o9納米顆粒的納米顆粒的 sem 圖圖03006009001200015304560current density (a cm-2)time (s) uv-vis vis

44、ibleonoff 圖 3-4 bi2fe4o9納米晶的光電流測試圖結(jié) 論本論文以 bi(no3)35h2o，fe(no3)39h2o ，hno3，naoh 為原料，采用共沉淀法制備出純相 bi2fe4o9納米粉體，通過 x 射線衍射儀(xrd)和電子掃描電鏡（sem）研究 bi2fe4o9納米粉體的微結(jié)構(gòu)，討論了不同沉淀劑，對于bi2fe4o9納米晶的物相和形貌的影響，同時測量了在模擬日光和紫外光照射下bi2fe4o9納米晶的光電轉(zhuǎn)換性能，實驗結(jié)果表明： 以 naoh 作為沉淀劑，通過 600焙燒制備出了純相的 bi2fe4o9納米晶，成棒狀。 以 nh4oh 作為沉淀劑，通過 600焙燒制

45、備出了純相的 bi2fe4o9納米晶，成顆粒狀，可以看出，沉淀劑的不同，直接影響樣品的形貌； 通過對 bi2fe4o9納米晶進行的光電轉(zhuǎn)換性能測試結(jié)果表明，bi2fe4o9納米晶在模擬日光照射下光電流密度為 47 a/cm2；在可見光光照射下的光電流密度為 37 a/cm2，且 bi2fe4o9納米晶不論在可見光照射下還是模擬日光照射下都具有良好的穩(wěn)定性。因此，bi2fe4o9納米晶具有較好的光電轉(zhuǎn)換特性，有希望成為用于太陽能電池的新型半導體材料。致 謝本文是在盧朝靖教授的精心指導和大力支持下完成的。盧老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神

46、對我產(chǎn)生重要影響。盧老師淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。研究選題體現(xiàn)了導師高瞻遠矚、開闊敏銳的思維，工作凝聚了導師大量的心血。在此，謹向盧老師表示誠摯的感謝和深深的敬意。 另外，我還要特別感謝李永平老師對我實驗以及論文寫作的指導，她為我完成這篇論文提供了巨大的幫助。還要感謝和我一起學習的其他老師、師兄、師姐和同學對我的無私幫助，使我得以順利完成論文。 最后，最后衷心感謝我的父母和家人，感謝他們給予我無私的愛與堅強的支持！感謝所有關(guān)心和幫助我的親人、師長和朋友！ 胡丹單 2012-5-27參考文獻1 u. a. joshi, j. s. jang, p. h. borse a

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52、晶硅太陽能電池組件比功率發(fā)電量比較,100022618 (2005) 0320226204 17 成志秀, 王曉麗 太陽能光伏電池綜述，1009 - 5624 - (2007) 02 - 0041 - 07 18 朱文章等，gaas 同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)和異質(zhì)面的光伏譜研究，1992.0919 朱連杰，王德軍，謝騰峰，尚靜，徐自力，杜堯國，tio2 納米粒子的光催化活性與光伏響應特性研究，025120790 (2001) 0520827203 20 王鵬，陳曉暉，魏可鎂 含鉍復合氧化物催化劑的研究進展，10081143（2011）020001121 groult d, hervieu m, nguyen n, et al. 3.1 gev-xenon ion latent tracks in bi2fe4o9: high-resolution electron mic