新型ZnO/TiO2多维层状复合电极的制备及其在染料敏化太阳能电池中的电子传输和光吸收特性研究

染料敏化太阳能电池中，半导体电极的电子扩散速度和光捕获效率是影响其光电效率的两个关键因素。因此，本项目拟通过合成ZnO超细有序单晶纳米线/带阵列和特定结构的TiO2中空球，构建同时兼具良好电子传输和光捕获特性的、具有高级多维层状结构的新型ZnO/TiO2纳米复合电极。其中，基于一种特殊设计的电化学机制并根据晶体成核和生长的原理，精确控制ZnO纳米晶核的对称性及线/带结构的选择性，实现ZnO超细纳米线/带阵列（d<10nm）的可控沉积；采用特殊设计的微乳液法和聚苯乙烯（PS）球有序组装膜模板法合成不同尺寸、结构和排列方式的TiO2中空球；利用太阳能电池测试手段研究复合半导体纳米结构与宏观电池性能参数之间的相关性，探索纳米阵列形貌对电子扩散速率的影响规律和中空球结构对光的捕获效应，研究异质结抑制电荷复合的动力学，从深层次揭示电池的性能优化机制，为构筑高效的太阳能电池提供实验和理论机制的依据

本项目主要关注于太阳电极中光吸收效率和电子传输两个关键因素，进行新型结构电极材料的制备和高性能电极的构建。根据项目申请书中的研究内容和研究目标，主要进行TiO2中空结构和ZnO阵列的可控制备及其光电性能表征，考察不同纳米结构对光利用效应及电荷传输的影响，最后再进一步进行太阳能电池的构建、获得较高的电池效率。根据研究计划，我们在制备宽尺寸分布TiO2中空球及TiO2中空球有序组装膜的基础之上，又进行了多级孔结构的CuO中空球的制备，并研究了它们的光电性能；另一方面，进行了导电玻璃基底上ZnO纳米阵列的制备，并基于光生电荷分离和传输优化原理，开展了一系列贵金属/ZnO纳米棒阵列（包括Ag纳米线/ZnO纳米棒阵列，Ag纳米盘/ZnO纳米棒阵列和Au纳米颗粒@ZnO纳米棒阵列）和ZnO@CdS纳米棒高级异质复合结构的制备及光电性能研究，系统分析了基于ZnO阵列的异质结构导向的光生电荷的产生、分离、转移和多维立体传输机制。最后将所制备的TiO2中空球与ZnO纳米棒阵列复合，构建多维层状TiO2/ZnO太阳能电极，进行电池效率的测试，获得了6.56%的光电转换效率。同时积极进行基于碳纳米管复合纤维的新型可编织线形染料敏化太阳能电池以及基于石墨烯复合物和新颖囊泡碳的高性能电化学储能器件（锂电池，超级电容器）的研究。上述相关工作以通讯作者在高水平的国际科学期刊上发表论文9篇，如1篇ACS Nano，3篇Nanoscale，1篇ChemSusChem，2篇Journal of Physical Chemistry C，1篇Journal of Colloid and Interface Science和1篇Journal of Nanoscience and Nanotechnology等,同时申请国家发明专利3项。本项目的系统性研究成果为基于新型复合结构半导体材料的高效光电器件和储能器件的研究提供了重要的技术和理论支持，在能源和环境领域可能有着广泛的应用前景。