有序海胆状纳米结构设计合成及结构调制光电化学性能机理研究

上世纪90年代以来，在二维平面衬底上自组装有序纳米线阵列的研究已取得显著进展。近年来一些更为复杂的三维纳米结构（如海胆状纳米结构）被相继合成出来，但多呈无序堆积状态，不利于性能调控和本质现象的揭示。本申请项目旨在制备有序排列的海胆状（核/壳）纳米结构，探索一种可以预先设计、可以控制合成这类三维纳米结构阵列的一般方法。将这类海胆状（核/壳）纳米结构阵列制作太阳能电池的光阳极，研究这类独特的三维纳米结构调制光电化学特性的规律及其机理。重点研究海胆状（核/壳）纳米结构中二个关键分结构单元（核/壳界面处Schottky势垒、阵列纳米线直径）对光电流的影响及其显著性；结合理论计算，研究阵列纳米线直径影响光电流的物理本质。本申请项目的研究对于探索组装和自组装三维复杂纳米结构新方法、探索三维复杂纳米结构在太阳能电池中的应用原理以及新的物理化学现象都有着重要的科学意义。

本项目旨在制备有序排列的海胆状（核/壳）纳米结构，探索一种可预先设计、可控制合成这类纳米结构的一般方法。将这类海胆状（核/壳）纳米结构阵列制作太阳能电池的光阳极，研究这类独特纳米结构调制光电化学特性的规律及其机理。通过研究，我们取得了一些研究成果。采用气相自组装方法，在FTO透明导电玻璃上成功合成出排列较为有序的海胆状Zn/ZnO（核/壳）纳米结构；在此基础上，我们又发明了一种 “两步法”来控制合成排列有序的海胆状Zn/ZnO（核/壳）纳米结构，因此获得了二项国家发明专利（ZL2011 1 0316353.9和ZL2011 1 0127084.1）。我们对海胆状Zn/ZnO、海胆状Zn/ZnO/ZnS和海胆状Zn/ZnO/TiO2等多种类型的纳米结构调制光电化学性能进行了研究，并采用IMPS/IMVS实验手段重点研究了基于海胆状Zn/ZnO核壳微纳结构的染料敏化太阳能电池（DSSC）中的电子传输特性及其机理。通过建立与该结构相关的动力学IMVS数学模型，研究了微结构变化对于电子传输和复合过程的影响，从微观层面上，进一步研究了海胆状Zn/ZnO核壳微纳结构内部的电子传输机理。研究表明，海胆状Zn/ZnO核壳微纳结构膜的微观结构和形貌与DSSC中载流子的传输和复合过程密切相关，通过实验调控海胆状Zn/ZnO核壳微纳结构的微结构和形貌，可以有效提高电池微观参数和性能。