《染料敏化半導體塗層的室溫NO2氣敏特性及回響機理研究》是依託揚州大學，由張超擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：染料敏化半導體塗層的室溫NO2氣敏特性及回響機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張超
- 依託單位：揚州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
半導體環境氣體感測器具有成本低、體積小、靈敏度高等特徵，降低感測器工作溫度到室溫能進一步提高經濟性、穩定性和安全性，然而半導體氣敏層在室溫下表面化學活性低、反應速率慢、導致感測器靈敏度低和回響時間長，成為室溫氣體感測器亟待解決的重要問題。本項目依據染料敏化太陽能電池中染料敏化半導體的原理，擬採用N719染料敏化氧化鎢（WO3）或氧化鋅（ZnO）氣敏層，藉助於可見光照射增強感測器在室溫時對二氧化氮（NO2）的回響能力；採用石英晶體微天平，結合氣敏層電阻實時測量，研究在特定波長光照和黑暗兩種條件下氧分子在感測器表面的吸附-解吸附行為和NO2的化學反應規律；研究感測器在可見光照射下對低濃度NO2氣體的回響特性和氣敏機理，闡明染料和可見光在感測器表面化學反應中的增強機制。本項目的研究結果可為染料敏化半導體在室溫NO2氣體感測器領域的套用提供理論支持，對於研究其它類型室溫氣體感測器也具有指導意義。
結題摘要
二氧化氮（NO2）是一種影響空氣品質的重要污染物，利用室溫氣體感測器檢測NO2濃度，不僅意味著較低的能耗，更簡單的感測器結構，也意味著較高的材料穩定性及輸出穩定性。然而感測器在室溫下表面化學活性低、反應速率慢、導致感測器靈敏度低和回響時間長，成為亟待解決的重要問題。本項目在國內外研究基礎上，針對室溫反應速率慢的突出問題，以氧化鋅（ZnO）為研究對象，利用染料敏化、窄帶隙半導體和表面氧缺陷等方式，提高氣體感測器在室溫下的氣敏性能並研究氣敏增強機制。主要研究內容包括：（1）通過N719染料敏化非晶ZnO薄膜開發常溫NO2氣體感測器。N719染料敏化感測器對1.25-10 ppm NO2在室溫下顯示出良好的回響，且感測器回響隨著NO2濃度的增加而線性增加。發現氣體濕度對染料敏化感測器的基線電阻有重要影響，QCM結果證實電阻變化是水分子在ZnO膜上非飽和吸附的結果；（2）利用窄帶隙半導體硫化鎘（CdS）對ZnO塗層進行敏化，利用CdS吸收可見光，將電子轉移到ZnO表面，實現CdS-ZnO在室溫下對NO2氣體的回響；（3）通過溶液前驅體等離子噴塗（SPPS）製備具有氧缺陷的ZnO塗層，感測器的禁頻寬度由於高濃度氧缺陷的存在而降低，ZnO塗層的光吸收範圍由於價帶和導帶中形成的深施主能級從紫外光區擴展至可見光區，感測器對NO2表現出明顯的回響，證實氣敏增強機制是由於塗層的高濃度氧缺陷和高孔隙結構；（4）通過將ZnO塗層浸泡在H2O2溶液中並熱處理製備氧缺陷ZnO塗層，測定塗層氧缺陷的濃度，發現隨氧缺陷的濃度升高，感測器對可見光的回響範圍擴大，禁頻寬度減小；利用第一性原理計算獲得氧缺陷對禁頻寬度的影響規律；氣敏測試的結果顯示，隨著氧缺陷濃度的升高，感測器的電阻值降低，其回響及回響動力學性能提升。
