Au@CuInSe2等金属-半导体纳米复合结构的制备与光电性能研究

本项目拟发展一种多步注入法，制备Au@CIS、Au@CIGS、Ag@CIGS、Au/CIS、Ag/CIGS等金属-半导体纳米复合结构，将表面等离子体共振机制明确的金、银等金属纳米颗粒和光电转换效率高的I-III-VI2半导体纳米晶有机组合为一体。考察不同的铜源、硒源、铟源、反应介质以及反应条件等对产物组成与结构的影响，研究反应过程，揭示反应机理，实现对目标产物的组分、物相、结构、形貌及大小的有效调节和控制。制作纳米结构薄膜电极，测量其光电化学性质，以CuInSe2纳米晶为参照体系，系统考察并明确金属-半导体纳米复合结构中材料组成、尺度、形态、结构与性能的关联，通过大量的实验事实和模拟计算，明确纳米金属颗粒等离子体效应以及金属种类、颗粒形貌尺度与半导体带宽、材料厚度的匹配关系对产物吸光性能的影响。进而设计结构优化、性能优异的异质纳米复合结构，探讨其在新型高效半导体纳米晶太阳能电池中的应用。

致力于控制合成功能纳米材料，本项目在金属纳米晶与纳米异质结构的制备、纳米晶的生长机理以及纳米晶的结构与性能的关联等方面开展了系列工作, 进行了相关纳米结构在太阳能电池中的应用研究。主要进展如下：.1) 利用化学法，成功制备了系列I-III-VI2 半导体纳米晶以及Au@CuInSe2等核壳纳米结构，提出了一种新的基于合金过渡层的异质纳米结构生长机理，该策略可用于其他类似异质结构的制备；由于Au@CuInSe2复合纳米结构中，Au核的表面等离子共振特性有效增强了CuInSe2壳层的光吸收能力，Au@CuInSe2核壳纳米结构相比CuInSe2展示出了更优越的光电响应。.2）结合无机半导体纳米晶太阳能电池与钙钛矿型太阳能电池的优点，我们构筑了一种以金属氧化物/钙钛矿型有机金属卤化物/I-III-VI2化合物纳米晶为结构主体的太阳能电池，考察了材料组成、界面结构、制备工艺等对电池性能的影响，以Cu(In0.1Ga0.9)(S0.9Se0.1)2纳米晶膜为空穴传输层的光伏器件的能量转换效率可以达到9.15%，明显高于无空穴传输层的样品效率。.3）为了获得五重环孪晶纳米结构，我们考察了溶剂、表面活性剂等对孪晶成核与生长的影响，成功获得了Au-Pd合金双锥、Pd二十面体等具有五重环孪晶结构的纳米晶。由于在五重环孪晶纳米晶中，存在高密度的高能原子，晶格的膨胀还能引发电子结构的变化，这些孪晶结构具有独特的物理化学性质。.4）相对于单金属体系，金属合金纳米结构可以把多种成分的性能组合在一起，不同组分间还可能存在协同效应，因而多组分金属纳米结构近年来备受关注。但要将具有不同还原电位的金属同时还原具有较大的挑战性。我们将贵金属盐的慢速还原过程与过渡金属的欠电位沉积有机结合在一起，成功地合成了Pt3Zn金属间化合物内凹立方体纳米晶。基于置换反应和Kirkendall 效应，我们以Cu纳米线为模板，以AuPPh3Cl 为金源，成功地在油胺中制得了高质量的CuAu合金纳米管。类似的方法可用于其他合金纳米结构的制备。.这些研究和结果有助于我们理解纳米晶体的生长过程，揭示纳米结构与相应性能之间的关联，为高效功能纳米晶的理性设计、制备与应用提供新思路。