基于氧化钛纳米柱阵列-CuInS2超薄吸收层太阳能电池的研究

超薄吸收层太阳能电池（ETA太阳能电池）因在材料选择、结构特性和制作成本方面的独特优势而成为当前新型太阳能电池方向的研究热点。本项目提出以TiO2纳米柱阵列替代传统纳米晶TiO2，并采用本课题组的特色方法- - 超声辅助的连续离子层吸附与反应法，在TiO2纳米柱上制备高载流子迁移率的CuInS2薄膜；通过引入缓冲层(In2S3、CdS、ZnS) 对TiO2-CuInS2界面能带结构进行调控，研究其电学输运特性和光学特性；制备具有高光电转换效率的TiO2-CuInS2 ETA太阳能电池，系统考察CuInS2组分、微结构以及界面结构等对电池物理性能影响的机理和内在规律。本项目期望解决ETA电池中吸收层在多孔薄膜中可控制备的技术瓶颈，并从深层次揭示界面能带结构、缺陷态等与电池物理性能的相关性，为构筑高效ETA电池提供实验基础和科学依据。

纳米结构太阳能电池具有低成本和高光电转换效率，已经成为光电太阳能电池的主要研究方向。本项目面向新型纳米结构太阳能电池应用，以一维半导体纳米结构为研究对象，探索了多种TiO2纳米管阵列、TiO2纳米柱阵列、TiO2-In2S3核壳纳米柱和CuInS2薄膜的可控制备，综合研究了影响其光电转换性能和载流子传输性能的多种因素。.以ZnO纳米线阵列为模板，结合溶胶-凝胶涂敷技术，经高温晶化和湿化学腐蚀处理，成功地在透明导电玻璃基底上制备出多种结构规整、结晶性良好的高长径比的TiO2纳米管阵列，以20 μm厚的TiO2纳米管阵列实现了5.7%的光电转换效率；为了改善TiO2纳米管的染料吸附能力，进一步探索了多壁TiO2纳米管阵列和三维枝状TiO2纳米管网络的可控制备。研究显示，与单壁TiO2纳米管相比，多壁TiO2纳米管和三维枝状结构TiO2纳米管都有效地增加了空间利用率，光电转换效率分别增加至6.2%和5.74%。.利用低温水热法直接在FTO透明导电衬底上制备了单晶TiO2纳米柱阵列。通过综合优化，以3μm长的TiO2纳米柱阵列获得了2.03%的电池转换效率；采用连续离子层吸附与反应法（SILAR法）制备了均一的具核-壳结构的TiO2-In2S3纳米柱阵列，通过调整SILAR过程循环次数有效控制了In2S3壳层的厚度以及可见光吸收截止边，经30次循环、350℃烧结制备的TiO2-In2S3核壳纳米柱阵列的电池性能最佳，其光电转化效率为0.54%。.采用电化学沉积法制备了多元化合物CuInS2薄膜，研究了CuInS2纳米晶薄膜的电化学生长过程和生长控制机理。结果表明，络合剂的种类和浓度对CuInS2薄膜的电化学生长影响显著。进一步在单晶TiO2纳米柱阵列上采用电化学沉积法制备了TiO2-CuInS2复合膜。结果表明CuInS2纳米颗粒均匀的包覆于TiO2纳米柱表面，且TiO2-CuInS2复合膜在可见光区存在明显光吸收。以CuSCN为p型半导体，制备了基于TiO2纳米柱-CuInS2的ETA太阳电池，发现其具有太阳能电池特性，但电池光电转换效率较低，仅为0.08%，表明电池在p型半导体膜注入、电极制作等技术上仍有许多问题需要克服。