基于锐钛矿TiO2纳米线阵列的全氧化物太阳能电池及性能研究

本项目针对有机太阳能电池的稳定性和寿命等问题，拟通过异质纳米结构的微观结构调控，探索发展全氧化物太阳能电池。利用基于定向聚集晶体生长原理的湿化学法在透明导电基体上制备锐钛矿相TiO2纳米线阵列，以此为基础采用原位生长技术在每根TiO2纳米线的表面生长一层致密的Cu2O纳米晶单层构成Cu2O/TiO2体相异质纳米结，采用直接沉淀法在阵列型异质纳米结中填充2-3nm的CeO2纳米颗粒作为固体电解质材料构成全氧化物固体太阳能电池。研究基于锐钛矿TiO2纳米线阵列的染料敏化型、Cu2O敏化型、纳米p-n结型和全氧化物型太阳能电池中载流子的产生、分离、迁移以及复合机理，并评价电池的稳定性和寿命。本课题通过氧化物异质结构在纳米尺度上的界面复合和化学集成，目的是实现全新的基于全氧化物的固体太阳能电池，从而为低成本、高稳定性、长寿命太阳能电池的研究提供新的研究思路和科学依据。

本项目针对有机太阳能电池的稳定性和寿命等问题，通过纳米结构的微观结构设计和形貌调控，探索发展了基于阵列型一维纳米结构的染料敏化型太阳能电池和氧化物半导体液结太阳能电池等新型太阳能电池，并研究了其中载流子的产生、分离、迁移及复合机理。利用湿化学法成功生长了锐钛矿相TiO2纳米线阵列，以此一维纳米结构为基础，还制备了锐钛矿相TiO2纳米线阵列层/花瓣状微球层双层结构和“森林状”TiO2纳米棒/纳米线阵列多级纳米结构，并以这些特殊设计的纳米结构为光阳极，构筑了染料敏化型太阳能电池。这种阵列型一维纳米结构，特别是“森林状”TiO2纳米棒/纳米线阵列多级纳米结构可以有效促进电子在光阳极的传输，减少电子的复合，提高染料敏化型太阳能电池的光电转换效率。锐钛矿相TiO2纳米线阵列层/花瓣状微球层双层结构中的花瓣状微球具有亚微米的尺度，能有效散射入射光，增大光利用率，提高太阳能电池的光电转换效率。另外，探索制备了一种基于Cu/Cu2O氧化物半导体液结太阳能电池，这种电池具有原料丰富、成本低廉、制备方法简单、低温易控等优点，最高光电转换效率可达3.13%。以ITO-PEN导电塑料代替刚性FTO玻璃，可以得到柔性太阳能电池，效率为1.44%。核壳结构的Cu/Cu2O 电阻较小，Cu和Cu2O接触形成肖特基结，不仅有利于电荷的分离和传输，而且可以抑制电荷的复合，最终提高电池的光电转化效率。本课题实现了阵列型一维结构光阳极在纳米尺度上的界面复合和化学集成，设计了新型核壳结构金属/氧化物半导体液结太阳能电池，为高效率低成本太阳能电池的研究提供了新思路和新方法。