基于半导体复合纳米结构的新型光阳极材料及其载流子输运行为研究

制备微观有序的半导体光阳极材料，并阐明光激发电子在这种有序结构中的输运机理，是实现染料太阳电池光电转换效率突破的热点和难点。本项目基于我们在氧化锌纳米结构方面的研究基础，提出构建光阳极"电子输运高速公路"的新思路。选取稀疏分布的单晶氧化锌（ZnO）纳米线/纳米片阵列与氧化钛（TiO2）纳米颗粒复合，制备具有新型结构的复合光阳极。重点解决1）ZnO纳米结构在复合光阳极中的掺量和有序度控制、2）ZnO-TiO2异质半导体的表面-界面结构控制、3）单晶ZnO纳米线/片的ⅢA族元素掺杂控制三个关键问题。重点阐明ZnO一维纳米结构改善电子传输效率的作用机理、以及ZnO-TiO2界面的电子输运机制、电子-空穴再复合机制。在此基础上，探索显著提高电池光电转换效率的新途径，试制基于复合光阳极的电池器件，争取其效率比传统纳米颗粒电池提高50%以上，达到或超过国际先进水平。

染料敏化太阳能电池（DSSC）具有成本低、无毒无污染、制造工艺条件温和、适合大面积连续化生产等优点，除可用于光伏电站并网发电外，在发电幕墙、室内/便携电子产品供电、军用帐篷/背包供电等领域都展现出巨大的应用前景，并可望带动新材料、光伏一体化建筑、新型电子产品等多个产业和相关学科的协同发展，是当前新型太阳能电池的研究热点。具有纳米多孔结构的半导体光阳极是染料敏化太阳能电池（DSSC）的核心部件，承担着负载光敏化染料及传输光激发电子的双重功能。采用有序结构及具有高比表面积的介孔材料增强光阳极的功能，构建半导体复合光阳极，是当前纳米结构光阳极领域的研究热点和难点。. 本项目围绕DSSC纳米结构光阳极的可控制备及其光电性能调控方法展开研究，以纳米线、纳米管、气凝胶三种材料在纳米结构光阳极中的应用为核心，重点阐述纳米复合结构的构筑方法、尤其是其表面/界面结构的调控方法、纳米结构引入对光阳极染料负载、光散射、电子输运、电子-空穴再复合机制的影响机理及本质。围绕氧化锌-氧化钛复合光阳极、氧化钛纳米管阵列光阳极、气凝胶复合光阳极三大类复合光阳极进行了深入探索，开发出了若干种具有鲜明特色的纳米结构光阳极新材料，包括氧化锌纳米线-氧化钛纳米颗粒复合光阳极、具有多级管壁结构的氧化钛纳米管阵列光阳极、具有多层管壁的氧化钛纳米管阵列光阳极、具有枝状结构的氧化钛纳米管阵列光阳极、氧化硅-氧化钛气凝胶复合光阳极等。所得电池器件的最好光电转换效率达到9.41%，比传统纳米颗粒光阳极提高16%。在此基础上还开发了基于ZnOHF模板的ZnO纳米多孔球、片、六足结构的新型制备方法以及基于超声辐照技术的ZnO纳米多孔球的制备方法，具有纳米多级孔结构的高透过氧化硅厚膜，以及对纳米颗粒光阳极具有显著性能改善作用的氧化钛气凝胶阻挡层。. 上述研究结果对于拓宽纳米结构复合光阳极的研究思路，开发新型的纳米结构光阳极表面/界面结构、光电转换性能调控方法，具有重要的参考价值，对于推动半导体纳米复合结构在光催化、超级电容器、锂离子电池等相关领域的应用，也具有重要的借鉴意义。