Cu2ZnSnS4(CZTS)/单晶TiO2纳米线阵列复合薄膜的制备及其光电性能研究

Based on high photoelectric charge transfer efficiency of single crystalline TiO2 nanowire arrays and low cost, non-toxic, high visible light absorption efficiency of Cu2ZnSnS4 (CZTS), CZTS sensitized TiO2 nano arrays solar cells are fabricated. Herein, CZTS/single crystalline TiO2 nanowire arrays are synthesized on the surface of the titanium foil by a two-step (hydrothermal/ solvothermal) method. Through the research on the process of solvothermal reaction, the heterojunction interface structure of CZTS/TiO2 and the photovoltaic properties of heterojunction, we reveal the in-situ growth behavior of CZTS in TiO2 nanowire arrays and present a photoelectric charge transfer mechanism of CZTS/TiO2 heterojunction. Otherwise, this study develops a new application field of CZTS, provides a new way to improve the photoelectric conversion efficiency of the inorganic materials sensitized solar cells, gives the theoretical basis and evidences for designing new solar cells' structures.

鉴于单晶TiO2纳米线阵列在光电荷传输上的高效性和Cu2ZnSnS4(CZTS)作为太阳光吸收材料的低成本、无毒和高吸收性，本项目采用水热/溶剂热－两步法在钛箔表面制备CZTS/单晶TiO2纳米线阵列复合薄膜，并以此为基础组装CZTS敏化TiO2有序纳米阵列太阳能电池。通过对溶剂热反应过程、CZTS/TiO2异质结界面结构、异质结光电性能的研究，揭示溶剂热条件下纳米空隙内CZTS的原位生长行为，提出CZTS/TiO2异质结界面处的光电荷传输机制。本项研究开拓了CZTS新的应用领域，为提高无机物敏化TiO2太阳能电池光电转换效率提供了新的途径，为设计新型太阳能电池结构提供了理论基础和依据。

本项基金在单晶TiO2纳米线阵列可控制备的基础上，构筑了TiO2绒状纳米线以增加比表面积和光散射，并通过溶剂热原位合成CZTS/TiO2（绒状）纳米线复合结构。与此同时，还制备了CZTS/TiO2纳米管阵列、CZTS/TrGO（巯基化石墨烯）/TiO2纳米颗粒、CZTS薄膜等多种复合结构，并充分探究了上述复合结构作为光阳极、敏化光阳极和对电极在DSSC中的应用，取得以下若干进展。（1）采用水热法成功在钛箔表面制备了单晶TiO2纳米线阵列，优化工艺后其组装的DSSC光电转换效率最高可达1.29%。（2）采用二步水热法成功在钛箔表面制备了TiO2绒状纳米线，其DSSC光电转换效率达到3.1%。（3）采用溶剂热法分别成功制备了CZTS/单晶TiO2纳米线阵列和CZTS/TiO2绒状纳米线复合结构，将其组装成DSSC后，CZTS/TiO2绒状纳米线敏化电池的光电转换效率明显高于CZTS/单晶TiO2纳米线阵列敏化电池，达到0.278%。（4）采用自组装的方式成功制备了TrGO修饰CZTS/TiO2纳米颗粒光阳极，由于TrGO对CZTS的吸附，导致产生更多的光生电子，同时其自身π环为光生电子提供快速的传输通道，降低了电子空穴的复合率，因此获得了较好的光电性能（Voc = 0.560 V，Jsc = 0.411 mA/cm2，η = 0.133%）。（5）采用溶剂热法成功在FTO表面原位制备了CZTS薄膜，将其作为对电极组装的DSSC光电转换效率最高可达5.65%；采用先电沉积铜锡金金属预制层后溶剂热法成功制备了CZTS对电极，其组装的DSSC效率最高可达7.09%；采用先电沉积铜锡金属预制层后溶剂热法成功制备了CTS4(Cu3SnS4)对电极，其组装的DSSC效率最高可达7.8%。此外，本项目还探究了钙钛矿太阳能电池的制备工艺和稳定性、钛及钛合金表面微纳二级结构在疏水、防冰方面的应用。