石墨烯—氧化鎢復(fù)合薄膜

太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換利用是解決目前較為普遍的能源匱乏及環(huán)境污染問(wèn)題的一條重要途徑，因而研究和開(kāi)發(fā)具有光電轉(zhuǎn)換能力的半導(dǎo)體材料是太陽(yáng)能高效利用的關(guān)鍵。在眾多的半導(dǎo)體材料中，氧化鎢因性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)成為目前最具應(yīng)用前景的光電轉(zhuǎn)換材料之一，但其光生電子-空穴易復(fù)合限制了器件的光電性能。

在導(dǎo)電玻璃基底上負(fù)載石墨烯—氧化鎢復(fù)合薄膜，并以該復(fù)合薄膜為底層制備兼具電子快速傳輸和長(zhǎng)光程的雙層結(jié)構(gòu)薄膜。從而利用石墨烯良好的電子傳輸性能對(duì)氧化鎢進(jìn)行改性，有效地抑制光生電子-空穴復(fù)合,提高氧化鎢基材料的光電轉(zhuǎn)化性能。

首先采用水溶性高聚物作為橋聯(lián)劑，通過(guò)浸漬提拉法制備還原氧化石墨烯(RGO)—氧化鎢復(fù)合薄膜(G-WNC)。薄膜組成均勻，氧化鎢顆粒為20nm左右。對(duì)于厚度為3.5μm左右的薄膜，復(fù)合薄膜光電流為0.96mA/cm2(1.20V vs. Ag/AgCl)，是氧化鎢薄膜(WNC)的2.13倍。對(duì)含有不同濃度的氧化石墨烯(GO)的前驅(qū)體而言，薄膜光電流隨前驅(qū)體中GO濃度的變化而變化，當(dāng)GO濃度為0.960mg/mL時(shí)光電流提升效果最明顯,其光電流為純氧化鎢薄膜的2.07倍。

其次，采用瞬態(tài)光電流法和強(qiáng)度調(diào)制光電流法研究了薄膜電極光電作用下界面上的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程和電荷的傳輸。研究發(fā)現(xiàn),復(fù)合RGO后，光生電子的傳輸速率獲得提高，減小了電子的傳輸時(shí)間，為氧化鎢薄膜的47.5%；同時(shí)電子的快速傳輸抑制了電子—空穴的復(fù)合，延長(zhǎng)了電子—空穴對(duì)壽命。在上述研究基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高薄膜器件的光程和電子傳輸能力，采用浸漬提拉和水熱法制備雙層結(jié)構(gòu)薄膜。底層氧化鎢復(fù)合RGO后，在電位為1.20V (vs.Ag/AgCl)時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)薄膜的光電流提升了53.8%；外加1.00V偏壓和355nm波長(zhǎng)照射時(shí)，入射光子光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)從31.33%提升到39.52%。通過(guò)紫外—可見(jiàn)漫反射與IPCE聯(lián)合分析可知，RGO在復(fù)合物中的主要作用是抑制電子—空穴復(fù)合,促進(jìn)電子傳輸。

最后，以雙層結(jié)構(gòu)薄膜為光陽(yáng)極，N719為染料組裝染料敏化太陽(yáng)能電池,復(fù)合RGO后，電池效率為0.067%，相對(duì)純氧化鎢雙層結(jié)構(gòu)薄膜提升了60%。