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摘要
人类的生存和发展必须要依托能源。能源在地球上的存在形式有很多种，大多数的能源都是来源于太阳能在时间轴和空间域的累积和转化，例如煤炭，光能，风能等等。其中，石油、煤炭等蕴含的化学能是由古代动植物尸体转化而来，而动植物的能量则最初来自于光合作用所固定的太阳能。因此，如何运用当今现有的知识和技术，直接缩短这个时间轴和扩大空间域，大胆地尝试跳过光合作用、沉积风化作用、和漫长的转化过程，直接从太阳光里获得人类所需的能量，是当前全世界能源领域的研究热点。
从1839年“光电效应”被发现后，历史便浩浩荡荡地迈开了太阳光光电转换的研究步伐。在太阳能电池领域，首先是第一代太阳能电池的登场，它也是当今技术最为成熟的电池，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池。第二代太阳能电池可以称之为薄膜太阳能电池，其中以碲化镉、铜铟硒化物、铜铟镓硒化物、砷化镓等化合物薄膜电池为代表。直至今日，人们又提出了第三代太阳能电池的定义，与前2代电池最大的不同是，第三代太阳能电池主要分为有机薄膜柔性太阳能电池和敏化染料太阳能电池，其中，TiO2纳米管阵列涂层具有较大的比表面积，有利于吸附更多的染料分子，此外，垂直于基底生长的管状结构有利于光生电子的迁移和与空穴的分离，因此成为理想的染料敏化太阳能电池光阳极材料。但是由于受限于光响应波长，TiO2纳米管阵列涂层一直以来都扮演染料载体的角色，染料敏化太阳能电池的构造也较为复杂，在染料分子与电解质间的界面处会发生光生空穴和电子的复合，因此，若能制备出兼具光生电子和传输电子的光阳极材料则不仅会简化染敏电池的构造，同时也有希望提高电池的光电转换效率。
本文首先用阳极氧化法在钛基底表面制得TiO2纳米管阵列涂层，并作为前驱体，通过退火处理和水热法获得CaTiO3纳米管阵列涂层光阳极材料，结合涂层的物相表征和紫外光下的光响应性能分析，获得了CaTiO3纳米管阵列涂层的最佳制备工艺，同时通过对EIS的分析探究了光生电子在光阳极界面的行为，这对于研发具有光感特性的纳米管阵列涂层太阳能电池有着重要的意义。
本文主要研究内容如下：
1、以TiO2纳米管阵列涂层为前驱体，获得水热法制备CaTiO3纳米管阵列涂层的工艺参数，通过XRD，SEM和TEM等检测手段对涂层的物化性能进行表征。经水热处理后的纳米管的晶体结构由锐钛矿和金红石的混合相转变为了CaTiO3相。SEM的结果表明，水热处理TiO2前驱体涂层能够增厚纳米管的管壁，同时不会对原有的纳米管阵列结构造成破坏。
2、探究CaTiO3纳米管阵列涂层在UV及可见光照射下的光电响应特性。采用三电极体系，通过XPA光反应器及太阳光模拟器进行光生电压跃迁实验，通过对跃迁曲线的分析可知，CaTiO3 纳米管阵列涂层能够明显促进TiO2纳米管阵列涂层的跃迁行为，在UV和可见光下较TiO2纳米管阵列涂层的跃迁电压分别高出了200mV和100mV。结合UV-vis分光光度计以及XPS的测试结果可知，CaTiO3光电性能的改善是由于其在紫外区域的强吸收以及导带上较高自由电子密度所致。
3、对纳米管涂层进行UV照射下的阻抗谱测试，并通过构建等效电路分析光生电子在光阳极和电解质界面间的行为，研究表明，相比于TiO2纳米管阵列涂层，CaTiO3纳米管阵列涂层与电解液间的界面阻抗减少，光生电子的寿命以及传递速率得到了明显的增强，从机理上揭示了不同光阳极材料间的光电压跃迁的区别.
关键词：二氧化钛纳米管，钙钛矿，钛酸钙，光电跃迁，阻抗谱
目 录
毕业设计（论文）任务书 i
摘要 ii
Abstract iv
目 录 1
第1章 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 文献综述 3
1.2.1 钙钛矿型氧化物纳米材料 4
1.2.2钛酸钙 5
1.3 研究目的与研究意义 6
第2章 钙钛矿纳米管的制备与表征 7
2.1 实验目的 7
2.2 实验意义 7
2.3 实验构思 7
2.4 实验方法 7
2.5实验材料和仪器 8
2.6 实验结果与讨论 8
2.6.1 样品宏观形貌 8
2.6.2 样品微观形貌 8
2.6.3 XRD分析 12
2.6.4 TEM数据分析 15
2.6.5 XPS 16
2.6.6 紫外可见吸收光谱分析 17
2.7 本章小结 17
第3章 紫外光和模拟太阳光下的光电跃迁实验 19
3.1 紫外光下的光电跃迁实验 19
3.1.1 实验目的 19
3.1.2 实验方法 19
3.1.4 实验结果 20
3.2 模拟太阳光下的光电跃迁实验 23
3.2.1 实验目的 23
3.2.2 实验内容 23
3.2.3 实验结果 24
3.3 本章小结 25
第4章 跃迁状态下的EIS阻抗谱研究 27
4.1实验目的 27
4.2实验内容 27
4.3实验结果 27
4.4 实验结论 30
4.5 本章小结 31
第5章 结论 33
参考文献 34
结束语（致谢） 36
附 录 37
