多壁氧化钛纳米管阵列低温制备及在柔性染料电池中的应用基础研究

柔性染料敏化太阳能电池（DSCs）因具有耐冲击、易携带等特点而成为光伏电池领域中的研究热点。一维氧化钛纳米管阵列结构优异的电子传输特性可显著提高DSCs光电转换效率，但其在柔性太阳能电池的应用受到低温制备技术的制约。基于申请人在湿化学法制备氧化钛纳米管阵列的前期研究基础，本项目提出低温-叠层吸附法制备多壁氧化钛纳米管阵列光阳极的新思路。通过叠层吸附反应薄膜涂敷技术，精确控制纳米管微观结构，显著提高纳米管阵列表面积和界面结合强度。重点研究水热晶化动力学行为、多壁纳米结构改善电子传输效率的作用机理，以及壳层界面电子输运机制和电子-空穴复合机制。在此基础上，试制柔性DSCs器件,实现光电性能的新突破。该项目对于纳米阵列材料的基础研究与其在柔性DSCs中的应用研究具有重要意义。

染料敏化太阳能电池（DSSC）是当前新型太阳能电池的研究热点，与其他光伏电池相比具有成本低、潜在转换效率高、无毒无污染、装饰功能强等优点，在光伏并网发电、幕墙发电、室内/便携电子产品供电等领域应用前景广阔。光阳极是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难点。本项目重点研究了基于氧化钛纳米管阵列的有序光阳极展开研究。采用氧化锌纳米线阵列作为硬模板，以溶胶凝胶技术制备了单壁、多壁、枝状的氧化钛纳米管阵列，以之作为光阳极组装电池，系统考察纳米管微观结构对电池光电转换性能及光电转换机理的影响。开发出了三种新型的有序氧化钛纳米管光阳极材料：（1）单壁氧化钛纳米管阵列光阳极；（2）多壁氧化钛纳米管阵列光阳极；（3）枝状氧化钛纳米管阵列光阳极。与传统电池体系相比，具有多壁、枝状光阳极结构的电池的电子传输效率、光电转换性能有明显提高，最好光电转换效率为6.20%，分别比单壁管电池提高30%和85%。在此基础上，项目组探索了气凝胶新材料在DSSC光阳极中的应用，获得了新型氧化钛气凝胶阻挡层以及具有多级结构的氧化钛纳米晶光阳极，最好光电转换效率达到8%。上述研究结果拓宽纳米结构复合光阳极的研究思路，对新型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。依托项目资助，发表SCI索引论文7篇，申请国家发明专利2项，培养硕士博士生5名。