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1、青岛大学本科生毕业论文（设计）题 目：Bi2Fe4O9纳米晶光电转换性能测量 学 院： 物理科学学院 专 业： 应用物理学 摘 要可再生能源的日渐减少和环境污染的日益严重作为人类在21世纪面临的最大困难，越来越多的关注，太阳能安全、清洁、取之不尽。于是，人们将目光纷纷投向了太阳能。而铋铁系化合物由于其特有的结构、性能及广阔的应用前景得到各方面越来越多的关注，在可见光照射下，BiFeO3薄膜、纳米颗粒和单晶的光电性质都已被报道。本论文选择Bi2Fe4O9为研究对象，分别以NaOH和NH4OH作为沉淀剂，利用共沉淀法制备出了纯相Bi2Fe4O9纳米晶，对Bi2Fe4O9纳米晶进行了XRD表征和SE
2、M分析，并对其光电转换性能进行了研究。关键词 Bi2Fe4O9 光电转换 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 t
3、o the solar energy in succession. 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
4、 visible-light irradiation, respectively. 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 conversio
5、n performance ，shows the X-ray 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 录摘 要I前 言1第1章 绪论21.1 光电效应21.1.1 光电效应概述21.1.2 光伏发电的原理21.2 光电材料的研究现状及趋势31.2.
6、1 硅太阳能电池31.2.2 多晶体薄膜电池41.2.3 纳米晶电池51.3 铁酸铋的性质和应用51.3.1 Bi2Fe4O9基本性质及研究现状61.4 共沉淀法合成概述71.4.1 共沉淀法合成机理71.4.2 共沉淀法合成特点71.5 本文主要研究内容9第2章Bi2Fe4O9纳米晶的制备工艺与表征102.1 实验原料与实验器材102.1.1 实验原料102.1.2 实验器材102.2 Bi2Fe4O9纳米晶的共沉淀法制备112.3 Bi2Fe4O9纳米晶的表征122.3.1 X射线衍射（XRD）122.3.2 电子扫描电镜（SEM）142.4 Bi2Fe4O9纳米晶的光电特性142.4.1
7、 实验装置142.4.2 光电极的制备15第3章 实验结果与讨论163.1 XRD分析表征163.2 SEM分析不同焙烧温度对样品微结构的影响163.3 Bi2Fe4O9纳米晶的光电转换性能17结 论18致 谢19参考文献20I青岛大学本科生毕业论文（设计）前 言现在，利用光电材料将太阳能转换为电能从而换来更多绿色，无尽的能源受到了越来越多的关注。传统的金属氧化物，如二氧化钛和氧化锌都已被广泛的研究4,5。然而，由于其相对较宽的带隙（一般为3.2eV），这些材料只能在紫外线光照射下才能被响应。因此，有必要探索一种具有相对窄的带隙，在可见光范围内或附近具有良好光电转换性能的新型材料。由于在信息存
8、储，自旋电子学和传感器上的广泛应用，到目前为止， BiFeO3的多铁性已经得到了广泛的研究14,15。近年来，发现BiFeO3的带隙较窄（2.2-2.8eV），这给人们提供了一种在可见光区利用太阳能的机会。在可见光照射下，BiFeO3薄膜，纳米粒子和单晶的光电性质都已被研究并报道1-3。而另一种应用广泛的铁酸铋Bi2Fe4O9可用来制作半导体气体传感器和催化剂，将氨氧化为NO6,7。已有文献报道Bi2Fe4O9的带隙在2eV左右8，因而 Bi2Fe4O9也能有效吸收太阳光，在光催化和光电转换的应用上引起人们更多的注意。据报道，Bi2Fe4O9纳米片（25-35纳米厚）和纳米带（80-100nm
9、厚）在可见光区都具有良好的催化活性8.9。然而，到目前为止，仍然没有有关Bi2Fe4O9纳米晶光电转换的研究报告。在目前为止，单相纯净Bi2Fe4O9的制备仍旧相对困难，有关Bi2Fe4O9微观性质与应用研究工作也受到阻碍。目前，如水热法，溶胶 - 凝胶法和固相反应法等几种方法都被报道能合成单相Bi2Fe4O98,10,11,12。然而，这些方法仍然存在很多问题，比如需要在比较苛刻的条件下完成，需要利用挥发性强有机溶剂，高温，大尺寸，所需产品的收益率差等。因此，研究出一种简单，经济和环保的技术合成单相纯净的Bi2Fe4O9仍然是一个挑战。相比之下，共沉淀法简单，经济，且可以大批量生产。据我们所
10、知，还没有通过化学共沉淀法合成单相Bi2Fe4O9纳米晶的相关报道。在此论文中，包括了目前各种光电材料的一些研究现状，共沉淀法的简单介绍，利用共沉淀法制备纯相Bi2Fe4O9纳米晶体，对其微观结构进行了表征，并对其光电转换性能进行了测量。第1章 绪论1.1 光电效应1.1.1 光电效应概述光电效应：光照射到某物质上，引起该物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能这类光致电变的现象。这是1887年赫兹在研究麦克斯韦电磁理论的实验时偶然发现的，1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯证实这是由于在放电间隙内出现荷电体的缘故，到了1899年，JJ汤姆孙通过实验证实这样的荷电体与阴极射线一样是都属电子流
11、。1899-1902年间，勒纳德开始对光电效应进行了系统研究，并且命名为光电效应。1905年，爱因斯坦在关于光的产生和转化的一个启发性观点一文中，用光量子理论对光电效应进行了全面的解释，直到1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论1.1.2 光伏效应的原理光伏效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。光伏效应首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。其原理是利用半导体材料的电子学特性，依靠太阳能电池组件，当太阳光照射在半导体物质PN结上，由于P-N结势垒区产生了比较强的
12、内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，它们各自向相反方向运动，离开势垒区，使得P区有过剩的空穴，n区有过剩的电子，结果P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。光生电场一部分除抵销势垒电场之外，还使P型层带正电，n型层带负电，在p区与n区的薄层之间产生所谓光生伏特电动势。如果在P型层和n型层分别焊上金属引线，并接通负载，则外电路便会有电流通过。如此可以形成的一个个电池元件，若把它们串联、并联起来，就能获得具有一定的电压、电流，输出功率达几十瓦到两百多瓦的太阳能电池组件，这些太阳能
13、电池组件再经过串联、并联即可组成太阳能电池方阵，此电池方阵就能够输出足够功率供负载使用。 图1-1 光伏效应的物理机制131.2 光电材料的研究现状及趋势目前, 太阳能电池产业得到了快速、优质的发展，但仍然主要存在着有两个方面的问题: 第一是价格问题: 首先要研究出能稳定获得高效率且低成本的半导体光电材料。第二就是能利用低成本的工艺路线生产出光伏电池。从成本上讲, 太阳能电池仍然是目前常规能源中成本最高的。当前的成本对比如下(表1-1) :能源形式 煤 天然气 石油 风能 核能 太阳能成本（f/KWH） 1-4 2,3-5 6-8 5-7 6-7 25-50表1-1 常规能源成本对比17以下将
14、介绍几种热门的太阳能电池的性质和研究现状。1.2.1 硅太阳能电池硅太阳能电池按照结晶状态可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜电池、和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池是目前开发得最快的一种太阳能电池，其结构和生产工艺已定型, 产品也已广泛用于空间和地面。单晶硅的光电转换效率相对较高，实验室里最高的转换效率可达24.7%，大规模工业生产时的效率也可达18%，其在大规模生产和应用中仍然占据着主导地位，但是由于单晶硅太阳能电池在工业生产中需要消耗大量的高纯度硅材料, 而制造这些材料工艺较复杂, 电耗很大，大幅度降低其成本也比较困难，所以为了节省单晶硅，也发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶
15、硅太阳能电池的替代品。多晶硅薄膜电池与单晶硅相比，成本低廉，其实验室最高转换效率为18%，大规模工业生产的转换效率目前也已可达17%，稍低于单晶硅太阳能电池，由于材料制造简便, 节约电耗，因此也得到了一定的发展。非晶硅薄膜电池与单晶硅和多晶硅电池的制作方法不同, 其硅材料消耗少、电耗低。成本低重量轻。但非晶硅薄膜电池存在的问题是光电转换效率偏低, 国际先进水平也只为14.5%左右, 而且不够稳定, 常有转换效率衰降的现象, 这也制约着非晶硅电池作为大型太阳能电源的发展。另外，各种光电材料的光响应区间也显得尤为的关键。如图1-2所示为单、非晶硅电池光伏响应谱，可以看出单晶硅的光谱响应灵敏度峰值是在700-900 nm之间，非晶硅的在550-600 nm之间。 图1-2 单、非晶硅电池光伏谱16 图1-3 GaAs异质结的
