基于TiO2纳米管构筑多种柔性同轴P-N结及光电转换性能研究

随着世界化石能源日益枯竭及全球气候变暖加剧，寻找可再生能源是当前科学研究的重要议题，也是推动科技发展的重要动力。其中太阳能作为初级能源取之不尽用之不绝，而太阳能发电是能源领域的重要研究课题。利用高度有序的纳米结构可以大幅提高电子空穴的分离及传输效率，是提高太阳能电池效率的重要方法。基于此，本项目提出我们最新制备的表面多孔型TiO2纳米管为模板材料构筑多种同轴p-n结，包括TiO2/导电聚合物、TiO2/p-型无机半导体、聚合物/富勒烯衍生物。通过在TiO2纳米管内一步沉积导电聚合物或无机p型材料制备p-n结杂化材料。研究TiO2复合杂化体系从基底的剥离性能，构筑柔性薄膜杂化体系。研究沉积导电聚合物与TiO2的剥离性能，利用剥离的纳米线进而构筑聚合物柔性p-n结杂化材料。研究杂化体系的光电转换性能。通过TiO2表面形成单分子层或表面接枝聚合，提高无机-有机界面的相容性及有效接触面积。

用二次阳极氧化法进一步优化TiO2纳米管的制备条件，在制备了图案化TiO2纳米管和柔性TiO2杂化材料的基础上，合成仿生自组装引发剂并在TiO2表面自组装，用电化学聚合的方法形成高密度聚吡咯膜，研究了TiO2/聚吡咯杂化材料的电化学性能，这类化学键和p-n结增强了界面电荷的分离和传输效率，提高了界面接触的稳定性。用表面引发聚合的方法构筑了有序p-n结，首先在TiO2纳米材料上制备了聚噻吩类导电聚合物膜，然后用导电聚合物刷为纳米尺度的模板制备了粒径分布在4-7纳米的CdS纳米晶，这种纳米晶/导电聚合物的有序排列和紧密接触提高了界面电荷的分离和传输效率，将TiO2材料的光谱吸收拓展到了可见光区。用表面引发聚合的方法在TiO2纳米管和石墨烯表面制备了聚合物刷，用离子交换结合简单的化学反应，制备了高密度的CdS/CdSe纳米晶，该方法可以多次实现纳米晶的负载，经过纳米晶敏化以后，TiO2纳米管和石墨烯的单色光转换效率得到了提高。研究结果将对纳米晶和聚合物太阳能电池材料的改性和提高具有理论指导意义和应用参考价值。