氧化钛分级芯壳纳米阵列表界面结构调控与光电性能

In one-dimensional nano-array dye-sensitized solar cells (DSSCs)，it is important to further improve the high power conversion efficiency of DSSCs by enhancing the dye loading, improving the electron injection efficiency, and suppressing the charge recombination, although one-dimensional nano-arrays have advantages of direct pathways for electron transport and high charge-collection efficiency. In this project, W-doped TiO2 nanoparticles are introduced into the free-standing anodized TiO2 nanotube array to form core-shell array firstly, and then the Al2O3 or HfO2 blocking layer is coated onto the nanotube/nanoparticles core-shell structure to finally form a hierarchical core-shell nanoarray photoanode. The effect of introducing of W-doped TiO2 nanoparticles into TiO2 nanotubes on the dye adsorption, electron injection efficiency and charge recombination will be investigated,and thereby to revel the relationship between the doping content and the conduction band shifting, charge transport and photovoltaic properties of photoanodes. The infuence of blocking layer on the suppressing of charge recombination of the photoanodes will be studied in this project as well, and accordingly to understand the role of the blocking layer on the photovoltaic properties and charge transport of the hierarchical core-shell nanoarray photoanodes. The internal charge transport mechanisms and models of TiO2 nanoarrays will be proposed in this project and this is possible to improve the photovoltaic performance of DSSCs dramatically. This topic is significantly important for the exploring of high conversion efficiency, low-cost DSSCs and understanding their internal charge transport mechanisms perfectly.

一维纳米阵列具有直接的电子传输通道与高的电荷收集效率，进一步提高染料吸附、增大电荷注入、抑制电荷复合是获得高效染料敏化太阳能电池的必要举措。本项目拟在高度有序的氧化钛纳米管阵列中引入W掺杂氧化钛纳米颗粒形成芯壳结构，进而对芯壳结构表面包覆Al2O3或HfO2阻挡层，形成分级芯壳结构纳米阵列光阳极。研究W掺杂氧化钛纳米颗粒引入到氧化钛纳米管表面对光阳极染料吸附量、光注入效率和载流子复合的影响,阐明掺杂含量与能带偏移、载流子传输和光电性能间的相互关系；研究阻挡层引入对光阳极中载流子复合的影响,揭示分级芯壳结构中阻挡层引入对抑制载流子复合和提高电池光电性能的作用；提出相应的分级芯壳结构纳米阵列中电荷输运机制，建立电荷输运模型，提高氧化钛纳米阵列染料敏化太阳能电池的效率。开展本项目研究对于开发高效率、低成本的染料敏化太阳能电池、深入理解其内部电荷传输机制具有重要的科学意义与理论指导作用。

太阳能电池中光阳极设计与器件性能优化是清洁可再生能源利用中十分重要的环节，项目选取高度有序的氧化钛纳米管阵列作为染料敏化太阳能电池电池的光阳极，通过阳极氧化法制备了大面积的TiO2纳米管（TNT）阵列，实现了纳米管阵列膜的完整剥离和在透明导电基底上的转移。通过在氧化钛纳米管阵列中分别采用TiCl4水解处理、TiO2溶胶浸泡、原位水处理等方法引入了TiO2纳米颗粒（TNA），构建TNT/TNA芯壳结构阵列光阳极，显著增大了纳米阵列光阳极的比表面积，同时增大了光阳极对染料的化学吸附性能，将器件的光电性能从未处理前的4.86%提高到9.02-9.86%附近。对引入的TiO2纳米颗粒进行适量的W掺杂，增大了激发态染料向半导体光阳极的电子注入效率，同时抑制载流子传导过程中的复合。在引入纳米颗粒的基础上，采用溶胶浸泡工艺在TNT/TNA芯壳结构阵列光阳极表面包敷具有高介电常数、宽带隙的HfO2、Al2O3、SiO2薄阻挡层，构建了分级芯壳结构纳米阵列光阳极，抑制了载流子传导过程中的复合，将组装器件的能量转换效率最终提高到13.06%，显著增大了DSSC的光电性能。.这一研究从太阳能电池的光阳极出发，从利用一维阵列的直接电子传导、提高光阳极对染料和光的俘获、增大电子注入、抑制载流子复合等多个方面对器件的光阳极进行修饰，显著提高了器件的光电性能，阐明了内部的电荷传输机制和器件效率提升的机理，对于开发高效率、低成本的染料敏化太阳能电池、深入理解其内部电荷传输机制具有重要的科学意义，同时也对其它类型的太阳能电池的电子传导层的修饰与设计提供了很好的指导作用，将这些思路进一步深入拓展到目前引起广泛关注的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池上，也证实对提高器件光电性能和稳定性方面具有很好的效果。