柔性不锈钢基底上一维纳米TiO2薄膜的制备和表征

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为了在柔性不锈钢基底上构建一维纳米TiO2结构,提高柔性染料敏化太阳能电池的效率,本研究先采用直流磁控溅射的方法在不锈钢基底上沉积一层钛膜,然后通过水热反应法和阳极氧化法将其转变成一维结构的TiO2纳米线和纳米管阵列。研究了溅射参数对钛膜形貌结构、水热参数对TiO2纳米线结构以及阳极氧化参数对TiO2纳米管阵列结构的影响,并采用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)以及光电性能测试的方法对一维TiO2纳米线和纳米管阵列薄膜进行了表征。对直流溅射工艺参数的研究表明:增大溅射功率,薄膜致密度和沉积速率显著增加。升高衬底温度,钛薄膜致密度和与基底结合强度增加,钛晶粒结晶性能提高。随着溅射气压的升高,钛晶粒不断变大并团聚合并,薄膜致密度和结晶性能提高。延长溅射时间,钛晶粒尺寸变大,结晶度增强,薄膜致密度明显提高。将钛膜置入10mol·L-1NaOH溶液在140℃水热反应24h可以制备出锐钛矿型的平行于基底生长的一维TiO2纳米线薄膜。单根TiO2纳米线长度达到几个微米,直径约20nm。纳米线之间相互交叉缠绕,形成一个三维网络结构。TiO2纳米线薄膜较纳米颗粒薄膜具有优异的光电性能。钛膜在1mol·L-1 NaOH溶液中,220℃下水热反应24h,可以制得垂直基底生长的一维TiO2纳米线薄膜。在0.25wt%NH4F+1wt%H2O/乙二醇体系中通过阳极氧化可以得到一维有序TiO2纳米管阵列薄膜。当热处理温度为450℃时,薄膜有较好的光电性能。与TiO2纳米颗粒薄膜相比,纳米管阵列薄膜具有更好的光电性能。在0.5wt%NH4F+3wt%H2O/乙二醇体系中60V电压下制备得到了TiO2多孔层修饰的TiO2纳米管阵列薄膜。与纳米管结构相比,多孔-纳米管复合薄膜能更有效地分离电子-空穴对,产生更多的光生载流子,表现出更优异的光电性能。
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