以ITO/TiO2为基质采用不同条件电沉积CdSe异质结电极的光电性能研究

齐乐辉，韩淼，孟鑫，范卓文（.黑龙江中医药大学，黑龙江哈尔滨50040；.哈尔滨市第九十五中学校，黑龙江哈尔滨5008）

以ITO/TiO2为基质采用不同条件电沉积CdSe异质结电极的光电性能研究

齐乐辉1*，韩淼2，孟鑫1，范卓文1
（1.黑龙江中医药大学，黑龙江哈尔滨150040；2.哈尔滨市第九十五中学校，黑龙江哈尔滨150028）

采用恒电位沉积法，以ITO/TiO2为基质制备CdSe纳米粒子。EDX和SEM测试分析表明，Cd和Se粒子原子比已接近1∶1沉积在TiO2表面及内部形成异质结，粒径分布比较均匀。通过调节电沉积的电位和沉积反应时间，可以控制CdSe的粒径。紫外-可见吸收光谱数据表明，不同沉积条件下制备的CdSe粒子展现出不同的光电性能。

恒电位沉积；硒化镉异质结；复合薄膜电极；光电性能

TiO2作为一种重要的半导体材料被广泛应用在光电池领域[1]。但其自身的缺陷是能带比较宽，对太阳能的吸收利用率较低，这就大大地影响了它的应用范围。在改进TiO2的光电转换效率的一系列研究中发现，利用能带较窄的半导体材料与TiO2组成异质结是非常有效地方法[2-5]。硒化镉（CdSe）是一种N型半导体材料，能量禁带宽度为1.75eV，吸收效率高，属于直接带带跃迁型能带结构，可以有效的吸收紫外-可见光的能量，可以作为太阳能电池的窗口薄膜材料，因此，有着非常广阔的应用前景。

应用电沉积法制备半导体复合薄膜，可以通过调控沉积条件来改变异质结的组成、厚度以及粒径的尺寸等[6]，引起了广大学者的重视和应用[7,8]。以ITO/TiO2为基质，采用电沉积法制备ITO/TiO2/CdSe异质结薄膜，已达到提高TiO2的太阳能转化效率的目的。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

XL-30ESEMPhilips扫描电子显微镜；ESCALAB MarkⅡ型X射线光电子能谱仪（英国VG公司）；UV-3100型UV-VIS光谱仪（日本岛津）；BAS-100B电化学工作站。

所用试剂均为分析纯试剂，所用蒸馏水都经过二次蒸馏处理。

1.2 实验过程

TiO2薄膜的制备过程：将水热合成得到的TiO2粒子与TiO2凝胶在一定比例下混合，用自动提拉膜机，在干净的ITO导电玻璃上提拉TiO2薄膜，经过100℃烘干，并在400℃下处理1h，自然冷却到室温，把细银丝固定ITO上部（没有涂覆TiO2部分），用环氧树脂封装电极中下部，留出电极的工作面积为1cm-2。

CdSe纳米粒子的沉积制备：本实验采用恒电位法，在三电极体系中，以ITO/TiO2薄膜为工作电极，以铂片电极（工作面积2cm-2）为辅助电极，以饱和甘汞电极为参比电极。电解液组成为0.1mol·L-1CdCl2和0.01mol·L-1Na2SeO3。用稀HCl调节反应体系的pH值为2.0。

2 结果与讨论

2.1 沉积异质结的组成与表面形貌

在电沉积电位为-0.5V和沉积时间为20min的条件下得到的CdSe复合薄膜进行能量分散X射线谱（EDX）分析，见图1。

图1 ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的能量分散X射线谱Fig.1 EDX spectrum of ITO/TiO2/CdSe composite film

在薄膜中，除了基质中的Ti和In外，电沉积得到的薄膜只有Cd和Se两种元素，通过数据分析计算出薄膜中Cd和Se的原子比接近于1∶1，说明在ITO/TiO2薄膜上电沉积得到的沉积物为CdSe。

图2为CdSe复合薄膜的扫描电子显微镜图（SEM）。

图2 ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的扫描电子显微镜图Fig.2 SEM photograph of ITO/TiO2/CdSe composite film

从图2中可看出，薄膜表面形貌致密均匀，粒子排列相对规则，粒径平均粒径约为20nm，CdSe粒子已经完全均匀覆盖在TiO2表面并进入其内部并与TiO2形成异质结。

2.2 沉积电位对CdSe异质结光吸收性能及光电性能的影响

图3是在20℃不同电位下电沉积30min得到的ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）。

图3 不同沉积电位下的ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的紫外-可见吸收光谱Fig.3 UV-Vis spectra of ITO/TiO2/CdSe film at different deposition voltage at20℃in 30min

从图3中可知，薄膜的吸收光谱从TiO2仅在紫外光区的特征吸收拓宽到可见光区，吸收带边在380nm。相对于其它沉积电位，当沉积电位为-0.5V时，复合薄膜的光吸收效率最好。

在20℃沉积电位-0.5V下沉积30min得到的ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的光吸收效果并不是特别好，把沉积时间调整为20min，实验结果见图4。

图4 不同沉积电位下的ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的紫外-可见光谱Fig.4 UV-Vis spectra of ITO/TiO2/CdSe film at different deposition voltage at20℃in 20min

比较图3和4可见，沉积20min得到的ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的光吸收程度远大于沉积30min得到的复合薄膜，吸收带边已经红移至620nm，即在此条件下，CdSe的敏化作用大大地拓宽了ITO/TiO2复合薄膜电极的光电响应范围，增加了光电转换效率。同时，也验证了沉积电位为-0.5V时，CdSe异质结的光电转化效率最高。

为验证沉积时间确定为20min得到了ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的光电效率最高，我们对不同沉积时间得到的复合薄膜进行了光电流谱测试，结果见图5。

图5 不同沉积时间得到的ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的光电流谱Photocurrentaction spectra of ITO/TiO2/CdSe films at -0.50V at30℃with different time

由图5可见，沉积时间为20min得到的ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的光电流响应范围最大，光电转化效率最高，与前面的结论完全相符。

3 结论

采用阴极恒定电沉积方法，在ITO/TiO2薄膜表面电沉积CdSe纳米粒子。通过实验条件的调控来改变沉积电位和沉积时间可以对CdSe粒子的粒径进行可控沉积，CdSe沉积形成的异质结的敏化作用使得ITO/TiO2薄膜有了更宽的紫外-可见光吸收范围，并增加了复合电极的光电转换效率。电沉积条件的改变对ITO/TiO2/CdSe复合薄膜的光吸收特性及光电转化性能也能产生明显影响。最后确定的最佳沉积条件为温度20℃，沉积20min，沉积电位-0.5V。

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Electrodeposition of CdSe heterojunctions on ITO/TiO2surface and the photoelectricper formance of their com posite thin film*

QILe-hui1*,HANMiao2,MENG Xin1,FAN ZHUO-wen1
（1.Heilongjiang University of Chinese Medicine,Harbin 150040,China; 2.Ninety-fifthmiddle school in Harbin,Harbin 150028,China）

ITO/TiO2/CdSe composite films were triumphantly manufactured by electrodeposition of CdSe nanoparticles on ITO/TiO2surface.The EDX and SEM resultsmanifest that the ratio of Cd and Se is 1∶1.Particle size distribution more uniform.The growth of CdSe nanoparticles can be availablycontrolled by regulating the electrodeposition potential and time.The UV-Vis spectra manifest that the different electrodeposition conditions have evidenteffects on the photovoltaic performance of the achieved CdSe thin films.

electrodeposition；cdSe heterojunction；composite thin film；photovoltaic performance

0646

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170708

2017-04-13

黑龙江省教育厅科学技术项目（面上项目：12511511）

齐乐辉（1979-），男，讲师，硕士，主要从事分析化学教学和科研工作。