基于碳纳米管阵列构筑有机无机杂化太阳能电池

随着全球能源需求逐年增加和化石能源日益枯竭，太阳能电池作为一种清洁、可持续的新能源得到迅猛发展。在各类太阳能电池中，有机无机杂化太阳能电池由于兼有无机半导体材料的优势（载流子迁移率高，载流子平均自由程长，化学稳定性好）和有机聚合物材料的优点（材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低）而受到广泛关注。研究表明，一维无机半导体阵列能显著提高有机无机杂化太阳电池的效率。本项目以多壁碳纳米管（MWCNT）阵列为基底，采用电化学沉积、水热、CVD等方法合成半导体/MWCNT同轴结构和一维分形结构。这类结构的材料具有比表面积大和电子传递能力优良的特点，将此类结构应用于有机无机杂化太阳能电池，以揭示同轴结构和一维分形结构纳米材料的形状、尺寸和能带结构对有机无机杂化太阳能电池性能的影响，并指导高性能太阳能电池的合成。

本项目采用电化学沉积、水热、CVD等方法制备了一系列形貌可控，比表面积大和电子传递能力优良的半导体材料，如ZnO/MWCNT、Fe2O3/MWCNT同轴结构和一维分形结构，Ni掺杂Fe2O3，碳纳米管辅助Ti-Fe2O3和MoS2/CdS等薄膜，BiOBrxI1-x/ZnO，ZnO/ZnS/CdS/CuInS2和Bi2WO6/WO3等同轴结构和一维分形结构阵列。考察了溶液浓度、反应温度、反应时间、添加剂组成等对产物形貌和结构的影响。揭示形状调控的规律及微观机制。. 通过对所制备的材料光电性能的测试，研究了纳米材料的形状、尺寸、晶体与能带结构对电极光电性能的影响，得到了一系列高转化效率的光电功能材料。并对其机理进行了探讨，得到以下结论：（1）在保证载流子传输的基础上，尽量拓展电极的比表面积；（2）掺杂有利于提高薄膜的载流子密度；（3）碳纳米管的载入有助于提高薄膜的导电能力；（4）窄带隙半导体的负载及构筑的异质结有利于提高电极的光电相应；（5）p-n结能显著提高电极光电相应。在此基础上，初步构筑了有机无机杂化太阳能电池，并测试电池性能。探索一维同轴结构和一维分形结构纳米材料的形状、尺寸、晶体与能带结构对有机-无机太阳能电池性能的影响，并指导高性能太阳能的合成。. 本项目主要完成了六个体系的制备及性能测试，其中三个体系分别发表在Journal of Physical Chemistry C，International Journal of Hydrogen Energy和Electrochimica Acta上，另外三个体系正在投稿中。一共培养了1名博士，3名硕士。