纳米ABO2结构p型半导体材料水热生长机理及其光电性能调控

The pn tandem structured dye-sensitized solar cells (DSSCs) can take full advantage of sunlight, effectively broadening the absorption spectrum of the cell, resulting in a higher open circuit voltage or short circuit current than that of the conventional DSSC with single light absorber. Based on the current studies, to further explore new p-type semiconductor photocathode nano-materials and to deeply understand their working mechanisms in the p-type DSSCs would provide the basis for further breakthroughs to attain high performance tandem structured DSSCs. The proposed research plans mainly include: (1) Scalable synthesis of copper-based ABO2 series p-type semiconductor nano-material (such as Li, Ga, Al, etc. doping CuMO2 (M is Cr, Ga, Al, etc.)) through hydrothermal synthesis method. (2) Understanding the relationship between the nanostructures, composition, morphology and the physical and chemistry performance of these ABO2 materials (such as optical properties and p-type semiconductor characteristics). (3) To study the working mechanism of p-type DSSCs based on copper-based ABO2 p-type semiconductor nano-material. Implementation of this project is expected to provide a broader semiconductor photocathode source material for p-type DSSC, and also provide a theoretical basis and controllable method for preparing high efficient p-type DSSC or pn tandem DSSC.

新型pn叠层染料敏化太阳能电池(DSSCs)可以实现单个电池光谱吸收互补和开路电压叠加，有望突破传统DSSC太阳光谱利用范围窄、光电转化效率不高等瓶颈问题。本项目针对当前pn叠层DSSC使用的关键半导体光阴极材料匮乏现状，通过水热法可控合成光阴极用系列p型纳米晶，探讨其半导体特性对p型DSSC工作机制影响规律，进而制备高效DSSC器件。主要包括：（1）纳米尺度铜基ABO2结构系列p型半导体材料（如Li、Ga、Al等掺杂CuMO2（M为Cr、Ga、Al等）系列材料）的可控制备；（2）纳米半导体材料组成、形貌、纳米结构相关的材料化学、光学以及p型半导体性质调控规律；（3）探讨基于铜基ABO2纳米晶光阴极的p型DSSC的工作机理，以制备高效p型DSSC器件。本项目的实施有望为p型DSSC提供更为广阔的半导体光阴极材料来源，为研制高效p型DSSC和pn叠层DSSC提供理论依据和可控制备方法。

针对目前光电器件用 p型半导体纳米材料匮乏的现状，本项目通过水热法可控合成系列具有p型导电特性铜铁矿结构ABO2型半导体材料，先后对其水热合成工艺、热稳定性能、光学性能、能级位置等物化性能进行测试分析，并对系列ABO2材料光电器件应用进行探索研究。基于上述研究结果，已发表SCI收录论文8篇，提交国家发明专利申请4项（3项已授权）。.先后利用水热法合成制备出三元AgCrO2、CuFeO2、CuMnO2、CuCoO2以及四元Ca掺杂CuFeO2、Ga掺杂CuCrO2等p型材料，并对其低温条件下（80-100 °C）水热生长机理进行系统研究。首次将AgCrO2、Ga掺杂CuCrO2纳米晶材料成功应用于p型染料敏化太阳能电池，并且取得较好的电池性能。基于P1染料敏化的AgCrO2电池获得Voc =246 mV，Jsc = 0.149 mA cm-2，η= 0.0145%电池性能。基于P1染料敏化10% Ga掺杂CuCrO2电池获得Voc =134mV，Jsc = 1.56 mA cm-2，η= 0.100%电池性能。研究成果先后被太阳能电池领域国际知名学者多次正面引用，得到了国际研究同行的认可。为进一步拓宽p型半导体材料的应用领域，率先探索将CuCrO2、CuMnO2、CuCoO2等新型半导体材料应用于光/电催化应用中，比如光催化降解染料以及电催化分解水制氧等研究，并取得良好的实验结果。例如：CuCrO2/TiO2复合光催化剂具有良好的光催化性能，其8小时降解MB效率为85.3%，CuMnO2/TiO2复合光催化剂的光催化性能得到进一步提升，其7小时光催化效率达到93.98%。.在本项目资助下，通过系统研究ABO2型晶体材料水热反应生成机理，实现对半导体材料光学、电学等物化特性修饰调控，完成对系列ABO2纳米晶材料调控制备，进一步研究基于p型ABO2材料半导体器件工作机理，逐步提升其光电器件性能。通过本项目的探索研究，成功研制出系列具有自主知识产权的新型p型ABO2材料，对于促进p型半导体材料及其光电器件的发展，均具有十分重要的学术价值。