超支化锐钛矿二氧化钛纳米线阵列的可控合成与光电应用

One-dimensional nanoarrays have become the research hot of dye-sensitized solar cell because of the excellent electron transport and light scattering ability. However, the low specific surface area of TiO2 nanowire leads to lower photocurrent and photovoltaic performance. The key scientific topic of this project is to perform the synthesis of hyper-branched TiO2 nanowire array with higher specific surface area and the optoelectronic application. The hyper-branched TiO2 nanowire composed of TiO2 nanowire array truncks-TiO2 (or ZnO) nanosheet (or nanorod) branches-TiO2 (or ZnO) nanorod on various conductive substrate such as FTO-glass, Ti-foil or net, carbon cloth or fiber will be synthesized using hydrothermal or solothermal method without any templates. The successful growth of hyper-branched TiO2 nanowire array is through the controll of the initial nuclei and subsequent oriential growth of TiO2. The length,diameter and density of hyper-branched TiO2 nanowire array can be controlled by optimizing the reactant concentration, pH, temperature and time.The growth mechanism of such hyper-branched TiO2 nanowire will be investigated. The effects of length, diameter and density of hyper-branched TiO2 nanowire arrays growed on different conductive substrate on dye-loading, light scattering, electron transport and recombination, light harvesting efficiency, electron collection efficiency and power conversion efficiency will be investigated in detail. Finally, we will prepare highly efficient rigid and flexible dye-sensitized solar cells based on hyper-branched TiO2 nanowire arrays.

一维纳米阵列具有良好的电子传输及光散射性能而成为染料敏化太阳电池的研究热点，但由于其低比表面积导致低光电流和光电转换效率。本项目的核心科学问题是开展高比表面积的超支化二氧化钛纳米线阵列的可控制备与光电应用，拟利用无任何模板剂的水热或溶剂热法，控制二氧化钛的初始成核与随后的定向生长及结晶，在导电玻璃、钛片或网、碳布或碳纤维等导电基底上制备TiO2纳米线主干-TiO2（或ZnO）纳米片（或纳米棒）分支-TiO2（或ZnO）纳米短棒的超支化TiO2纳米线阵列，通过优化反应条件如反应物浓度、pH 值、反应温度、时间等来控制超支化材料的长度、直径、密度等，研究该新颖超支化TiO2纳米线阵列的形成机理，探索不同导电基底、长度、直径和密度的超支化TiO2纳米线阵列对染料吸附量、光散射能力、电荷传输与复合、光捕获效率、电子收集效率及光电转换效率的影响规律，并研制高效率刚性和柔性染料敏化太阳电池。

本项目围绕具有高光散射能力、高电子传输能力的锐钛矿二氧化钛纳米线阵列复合材料设计与合成及其在染料敏化太阳能电池和量子点敏化太阳能电池的应用开展研究。通过水热法实现了锐钛矿二氧化钛纳米线阵列-二氧化钛纳米片分支-氧化锌纳米棒超支化纳米阵列结构的可控合成、分等级二氧化钛纳米线阵列-氧化锌纳米线或纳米片异质结纳米复合材料的合成、二氧化钛大孔-锐钛矿二氧化钛纳米线复合材料的合成；结合电纺法和水热法制备了二氧化钛纳米纤维-二氧化钛纳米棒复合结构、二氧化钛纳米纤维-氧化锌纳米棒或氧化锌纳米片等异质结分等级纳米复合材料的合成；利用水热法拓展合成了Fe2O3纳米线阵列、Al掺杂的ZnO纳米线阵列、ZnO纳米片阵列-ZnO纳米棒分支、三维CuO纳米片@大孔ATO、ATO大孔-Fe2O3纳米棒分支结构、多孔MoWP纳米片等；这些材料在染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳电池或光电催化方面呈现出了优异的光电性能；利用电化学阻抗光谱、强度调制光电流谱和强度调制光电压谱等技术研究了太阳电池和光电催化反应中的电子传输与复合过程，为锐钛矿二氧化钛纳米线阵列基复合材料的进一步理性设计与合成及其它们的高性能太阳电池和光电催化应用提供了扎实的基础和可行的新思路。