4.4　結(jié)果與討論

4.4.1　XRD分析

圖4-3是空白和CdS量子點(diǎn)敏化TiO2納米管陣列薄膜的XRD圖譜。空白的TiO2納米管陣列薄膜是銳鈦礦結(jié)構(gòu)。CdS量子點(diǎn)敏化后的XRD圖譜上出現(xiàn)了一個(gè)新峰，位置在2θ=28.10°，經(jīng)過(guò)PDF卡片的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此峰與六方結(jié)構(gòu)的CdS的（101）面匹配（JCPDS No.41-1049）。這表明CdS量子點(diǎn)成功沉積到了TiO2納米管陣列薄膜中。

4.4.2　CdS量子點(diǎn)敏化TiO2納米管陣列薄膜的形貌性能

圖4-4為CdS敏化TiO2納米管陣列薄膜后表面的FE-SEM圖像。從圖4-4（a）和圖4-4（b）中可以看出，對(duì)于一段開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜而言，沉積的CdS納米顆粒團(tuán)聚在TiO2納米管的表面并堵住了大部分的管口。但在圖4-4（c）和圖4-4（d）中并沒(méi)有觀察到CdS納米顆粒的團(tuán)聚和堵塞管口現(xiàn)象，這些納米顆粒均勻地分布在TiO2納米管的管口邊沿上。

圖4-5（a）和圖4-5（b）分別是CdS敏化一端開(kāi)口和兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜橫截面的FE-SEM圖像。從圖4-5（a）中可以看出，TiO2納米管的管壁光滑，無(wú)CdS納米顆粒的吸附。但是對(duì)于兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜而言，CdS納米顆粒不僅吸附在管的內(nèi)壁上，而且也吸附在外壁上，如圖4-5（b）所示。這說(shuō)明Cd2+和s2-離子不僅在管內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，也在管與管之間的區(qū)域發(fā)生反應(yīng)，這樣就形成了一種類似三明治的三層結(jié)構(gòu)即CdS/TiO2/CdS的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。圖4-4（c）是CdS敏化兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜的EDX分析結(jié)果，納米管中含有Ti、O、Cd和s元素，而Cd和S接近1：1的原子比表明形成了化學(xué)計(jì)量的CdS。這就再次證實(shí)了CdS量子點(diǎn)成功地沉積進(jìn)了TiO2納米管陣列薄膜中。

圖4-6（a）和圖4-6（b）分別是CdS敏化一端開(kāi)口和兩端開(kāi)口TiO2納米管陣列薄膜的數(shù)碼照片。圖4-6（a）中的CdS敏化一端開(kāi)口TiO2納米管陣列薄膜的顏色呈現(xiàn)淡黃色，而圖4-6（b）中CdS敏化兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜的顏色要更深一些，接近橙色。這表明兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜吸附了更多的CdS納米顆粒。

CdS量子點(diǎn)敏化一端開(kāi)口和兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜表現(xiàn)出了明顯不同的形貌特征，研究人員推測(cè)了可能形成CdS敏化TiO2納米管陣列薄膜的示意圖，如圖4-7所示。當(dāng)把一端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜浸入溶液中，由于納米管的底部封閉導(dǎo)致有空氣殘留在納米管內(nèi)，這些殘留的空氣會(huì)阻礙Cd2+離子和S2-離子進(jìn)入到納米管的內(nèi)部，所以最后大量的Cd2+離子和S2-離子吸附在納米管表面發(fā)生反應(yīng)生成CdS納米顆粒并聚集到一起堵住了納米管的管口，如圖4-7（a）所示，只有接近納米管頂部的一部分有CdS的吸附。而對(duì)于兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜而言，由于其通孔的結(jié)構(gòu)，溶液能夠充滿整個(gè)納米管，這樣當(dāng)TiO2納米管陣列薄膜在交替浸入Cd2+離子和s2-離子溶液中時(shí)，這些離子就能均勻地吸附在納米管的表面并發(fā)生反應(yīng)生成CdS納米顆粒，最后形成一種規(guī)整的納米顆粒包覆納米管的形狀，如圖4-7（b）所示。這種形成機(jī)理也表明兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜能夠吸附更多的CdS納米顆粒。

4.4.3　TEM分析

為了進(jìn)一步表征CdS敏化兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)樣品進(jìn)行了TEM和HRTEM分析，如圖4-8所示。從TEM圖像中可以看出，CdS納米顆粒沿著管長(zhǎng)的方向均勻地分布在納米管的內(nèi)壁和外壁上，這些納米顆粒的大小約為20nm，與FE-SEM觀察的結(jié)果相同。從樣品的H RTEM圖像中可以觀察到0.35nm和0.36nm的晶格間距，分別對(duì)應(yīng)著銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2的（101）面和六方結(jié)構(gòu)CdS的（1 0 0）面。

4.4.4　紫外可見(jiàn)漫反射（UV-Vis）吸收光譜分析

圖4-9是樣品的紫外可見(jiàn)漫反射（UV-Vis）吸收光譜圖。沒(méi)有經(jīng)過(guò)CdS敏化的TiO2納米管陣列薄膜光陽(yáng)極只在紫外光范圍內(nèi)有吸收，這是因?yàn)殇J鈦礦結(jié)構(gòu)的TiO2的能帶間隙較寬（Eg=3.2eV），只能吸收能量較高的紫外光。而TiO2納米管陣列薄膜經(jīng)過(guò)CdS敏化后，其吸收邊界已經(jīng)拓展到了可見(jiàn)光范圍，這是由于窄禁帶的CdS納米顆粒（Eg=2.4eV）調(diào)節(jié)了TiO2能帶寬度的結(jié)果。同時(shí)，從圖4-9中可以看出，與CdS敏化的一端開(kāi)口TiO2納米管陣列薄膜相比，CdS敏化的兩端開(kāi)口TiO2納米管陣列薄膜樣品的吸光度更大。這也表明兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜能吸附更多的CdS納米顆粒，這個(gè)結(jié)果同F(xiàn)E-SEM結(jié)果一致。

4.4.5　電池的光伏性能測(cè)試結(jié)果

圖4-10是CdS敏化一端開(kāi)口和兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜以及空自樣品的J-U曲線。其中，開(kāi)路光電壓Uoc，短路光電流密度Jsc，填充因子FF和能量轉(zhuǎn)換效率PCE列于表4-2。對(duì)于空白的TiO2納米管陣列薄膜，由于只能吸收紫外光，短路光電流密度僅為0.11 mA/cm2，開(kāi)路光電壓只有0.36V，能量轉(zhuǎn)換效率也只有0.018%o CdS敏化一端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜的短路光電流密度增加了14倍，達(dá)到了1.55 mA/cm2，開(kāi)路光電壓也增加了0.21V，能量轉(zhuǎn)換效率則增加到0.46%，是空白樣品的25.5倍。對(duì)于CdS敏化兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜樣品，短路光電流密度為4.91 mA/cm2，開(kāi)路光電壓為0.62V，填充因子為54.3%，整體的能量轉(zhuǎn)換效率為1.64%，是CdS敏化一端開(kāi)口TiO2納米管陣列薄膜樣品的3倍多。效率的提高具體分析主要有以下幾個(gè)方面的原因。

（1）正如FE-SEM結(jié)果和紫外可見(jiàn)漫反射吸收光譜分析所示，兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜能夠吸收更多的CdS納米顆粒，同時(shí)具有更好的形貌，而越多的CdS納米顆粒就能吸收利用更多的太陽(yáng)光，同時(shí)就會(huì)得到更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

（2）一端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜底部致密的氧化層會(huì)過(guò)濾部分太陽(yáng)光，降低光子的利用效率從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的下降。

（3）一端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜底部致密的氧化層會(huì)阻礙電解液擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到FTO玻璃上的TiO2納米管顆粒連接層，減少了對(duì)TiO2納米管顆粒連接層的利用，降低了轉(zhuǎn)換效率。

兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜粘貼到FTO玻璃上的FE-SEM圖像如圖4-11所示。可以看出，TiO2納米管顆粒連接層的厚度約為1.5μm，納米管的厚度約為20μm，F(xiàn)TO玻璃上的導(dǎo)電層厚度約為0.5μm。表4-2為不同樣品的電池性能參數(shù)。

盡管制備的基于CdS納米顆粒敏化兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了1.64%，同一些CdS敏化TiO2量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)，但是仍低于一些量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池效率。具體分析原因如下：雖然CdS的能帶間隙較窄，能吸收部分可見(jiàn)光，但其也僅僅局限于那些波長(zhǎng)低于550nm的太陽(yáng)光，仍不能夠充分有效地利用可見(jiàn)光（400～700nm），導(dǎo)致電池的整體轉(zhuǎn)換效率仍偏低。因此為了進(jìn)一步提高基于兩端開(kāi)口的TiO2納米管陣列薄膜的量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，有必要篩選一些具有更窄能帶間隙的量子點(diǎn)（如CdSe和PbS等），同時(shí)可以嘗試CdS、CdSe、PbS等的共敏化工作。