高排列密度一维半导体氧化物纳米阵列/量子点光阳极材料的可控制备与性能研究

Quantum dot sensitized solar cells (QDSSCs)have attracted much attention due to its high energy conversion efficiency and low cost. The important role is the design and fabrication of photoelectrodes. Limited by the synthesis approach, it is still a challenge to obtain semiconductor quantum dot/oxide nanoarrys with high density and small unit size, which makes it is difficult to increase the loading rate of quantum dots and direct electrical pathways for photogenerated electrons. The block copolymer lithography is an effective approach to synthesize dense nanoarrays with the diameter in the range of 5-50 nm in large scale. In this work, we will synthesize semiconductor oxide nanorod arrays with high density and small unit size templated from block copolymer films. Semiconductor quantum dots will be loaded in the presence of block copolymer, which will be fixed on the surface of oxide nanorods due to the complex between the hydrophilic groups and metal particles. Therefore, the sintering of super small particles can be avoided. Then, the photoeletrochemical properties of this material will be studied in detail and the relationship between the diameter, density of nanorods and the properties will be investigated too. Furthermore, the properties of QDSSCs based on this photoelectrodes will be tested and the influence of the diameter and the density will be discussed. This study is promising to support some useful information for the design and fabrication of photoelectrodes.

量子点敏化太阳能电池由于具备高理论转换效率和低成本，引起了科学界的广泛关注，光阳极材料的设计与制备是其中的关键课题。目前由于材料合成方法的局限，难以得到高排列密度、小单元尺度的一维半导体氧化物纳米阵列，因此很难增加单位面积敏化剂量子点的负载率和光生电子通路，从而限制了该类太阳能电池光电转换效率的进一步提高。本项目拟采用嵌段共聚物做模板，通过种子法结合溶胶-凝胶技术制备出高排列密度、小单元尺度一维单晶半导体氧化物纳米阵列，并在模板脱除前通过柱状微区中亲水基团对金属离子的强络合性和空间制约效应在纳米棒表面负载高分散半导体量子点，构成高排列密度的量子点敏化太阳能电池光阳极材料。在此基础上，研究该类材料的光电转换效率，探讨纳米阵列的直径、排列密度等参数对性能的影响，为今后该类电池的设计与制备提供技术与理论信息。

本基金以自组装的嵌段共聚物薄膜为模板，制备出高排列密度无机氧化物纳米阵列，并进行了相关催化性能研究。针对疏水端含有偶氮液晶侧链的两亲性嵌段共聚物PEO-b-PMAAz提出了微挤出剪切和聚二甲基硅氧烷（PDMS）微量添加法等两种PEO柱状微区取向调控方法。由于疏水端中刚性液晶链段的存在，使得嵌段共聚物溶液经微挤出剪切处理后，亲、疏水端分子链解缠绕时间不同，造成退火处理后，PEO柱状微区从垂直取向改为平行取向。此外，我们观察到嵌段共聚物经微挤出后的挤出胀大现象，即随着挤出口孔径的逐渐变小，嵌段共聚物自组装后PEO条纹间距变大。这是首次观察到微观领域挤出胀大现象，有利于嵌段共聚物自组装取向的细微调控。此外，我们提出在嵌段共聚物溶液中加入微量PDMS，即可实现PEO取向的平行排列。.以不同取向的嵌段共聚物薄膜为模板，结合溶胶-凝胶技术，得到了多种无机氧化物纳米阵列。另外，在除去嵌段共聚物模板前，引入第二种前驱体如HAuCl4溶液，进行还原并除去模板后，即可得到负载有2~3 nm Au颗粒的无机氧化物三维杂化纳米阵列材料。本方法提供了一种制备高度分散、微小纳米颗粒的高排列密度三维杂化材料的新途径。.为了进一步扩展嵌段共聚物薄膜作为模板制备高排列密度纳米阵列材料，本研究提出在PEO与PMAAz链段间引入可降解亚胺基团，而除去PEO链段后，得到小尺度、高排列密度PMAAz有序多孔膜材料，孔径约为7 nm，排列密度高达1012/cm2. 该工作首次降有序多孔膜材料拓展到聚苯乙烯之外其他高聚物上，并引入一定功能性。.本研究讨论了以不同取向、不同链段重复单元的嵌段共聚物为模板，得到的TiO2纳米阵列材料的光催化性能，明确了材料的形貌及特征尺度与性能间的关联性。.本项目的研究工作对两亲性嵌段共聚物自组装取向的调控、图案转移及高排列密度、高分散性纳米材料相关性能及关联性探究有着重要意义。本研究的重要成果发表于Nanoscale、Part. Part. Syst. Charact., Macromol. Rapdi Commun.《复合材料学报》等国内外重要研究期刊。受邀做国际国内会议报告3次，参加会议多次，申请中国专利2项。