火焰场中快速外延生长异质纳米分级结构与界面控制

电子的传输与收集是影响染料敏化太阳能电池性能的关键因素。本项目提出通过在火焰场中构造局域反应场以调制气相反应过程，快速外延制备具有取向结构的纳米阵列/链分级结构薄膜。通过衬底与薄膜外延式生长，形成电子的快速传输通道，提高电子收集效率，最终获得性能优异的电池器件。通过研究火焰场中阵列结构及异质核壳结构的外延生长机理，建立局域反应场对选择性外延和包覆型外延生长纳米结构的控制原理，阐明晶格匹配与应力及火焰场对外延及界面结构的影响规律；构筑染料敏化太阳能电池器件，研究异质分级结构薄膜作为光阳极时的电化学作用机理，获得性能优异的电池器件。通过本项目的实施，为实现快速外延制备高质量薄膜的连续化、可控化提供技术参考，并为光电子领域及光伏领域电极材料的设计、应用提供一定的理论基础。

气相燃烧技术已广泛应用于无机纳米材料的工业生产，通过反应器和前驱体设计得到可以人工裁剪的纳米结构一直是气相燃烧合成纳米材料研究的一个巨大挑战。气相燃烧制备纳米材料涉及快速高温反应，通过对燃烧过程中粒子界面结构的设计与调控，对新型纳米结构材料的开发具有重要意义，会极大促进火焰燃烧技术在合成纳米结构发展。本项目在燃烧反应器设计的基础上，通过调控燃烧过程中温度场及浓度场，设计合成了具有异质外延结构的复合纳米结构及金属离子掺杂的氧化钛纳米结构，研究了其界面特征，深入探讨了材料形成机理及形态控制方法，并研究了其应用为光阳极材料时的电化学性能，结果表明外延结构及掺杂可以改变氧化钛电极费米能级，影响光生电子注入效率及电子的传输。在此基础上，通过优化结构与组分，组装的太阳能电池器件获得了达7.87%的光电转化效率，较氧化钛电极和氧化锡电极分别提高了16.0%和368.5%；通过引入钽离子增加电子浓度，提高费米能级，致使组装的太阳能电池器件开路电压获得显著提升，当在掺杂含量为0.3%时开路电压可至0.834 V，在掺杂含量为0.2%的光电转化效率可达7.50%；采用扩散火焰燃烧反应器气相燃烧合成氧化锡纳米棒，通过元素掺杂和高温停留时间控制氧化锡纳米棒的结构。