新型BiOBr-BiOI/TiO2纳米异质有序阵列的生长调控与光电性能研究

TiO2基无机p-n结太阳能电池是近年来的研究热点。本项目提出用BiOBr及BiOI为窄带半导体同时与TiO2纳米线阵列形成异质结，构建一种新型太阳能电池光电极，利用BiOBr和BiOI的宽范围可见光吸收、TiO2纳米线阵列提供的大量电子快速传输通道以及两者之间形成的能促进电荷分离的p-n结，以期实现太阳光的高效转换。项目拟从三个方面进行研究：（1）实现TiO2纳米线阵列的控制生长及BiOBr-BiOI p型层与n型TiO2纳米线的同轴复合，总结复合生长规律，并阐明生长机理；（2）表征BiOBr-BiOI/TiO2异质有序阵列的形貌、结构，测试其光吸收及光电性能，并研究光电性能与结构的关系；（3）研究BiOBr-BiOI/TiO2异质结界面的载流子产生、分离、复合动力学，并阐明其传输机理。本项目旨在为TiO2基光电极的设计提供一条新思路，为高效率p-n结太阳电池的成功制备奠定科学基础。

为了提高氧化钛对太阳光的响应范围，提高光生载流子的传输速率以及寿命，本项目结合一维纳米线的传输优势，设计了以对可见光有较好吸收的窄带半导体BiOBr，BiOI包覆的TiO2纳米线太阳能电池光阳极，明显拓宽了光阳极的响应光谱范围，研究了不同包覆量对光电性质的影响。具体完成的研究内容及结果如下：（1）在透明导电玻璃基底上实现了TiO2 纳米线阵列的控制生长，通过调控种晶层、前驱物的浓度、反应时间和添加剂等，获得了不同直径、不同疏密程度和取向的单晶TiO2纳米线阵列，研究了厚度对TiO2纳米线阵列光吸收谱的影响。（2）获得了BiOX/TiO2纳米异质阵列。首先在TiO2表面引入了ZnO牺牲层。这里采用了两种方法：一种方法是利用胶体溶液吸附及后退火处理方法，另一种方法是采用原子层沉积法。在（1）所得优化的纳米线阵列的骨架上，我们以BiX3为合成BiOX的前驱物进行水解反应，通过选择合适的醇类溶剂以及调节其浓度及比例、反应的时间和温度来控制BiOX的生长（成分比例、形貌、尺寸、结晶度等）。最终制备出了较好的同轴复合异质有序阵列薄膜。复合薄膜的吸收光谱表明，引入的BIOX能显著改善光电极对可见光的响应。（3）在模拟太阳光（AM1.5）辐射下测试了BiOX/TiO2纳米异质阵列的光电性能。结果表明，BiOX/TiO2纳米异质阵列的光电流与BiOX合成时前驱体的浓度密切相关，低浓度的前驱体能获得较大的光电流（0.22mA/cm2）。两组分（BiOI，BiOCl）包覆时，比单一组分（BiOI）表现出更大光电流。除此之外，还研究了导电基底上其他氧化物阵列薄膜的制备及电化学性能，如MnO2纳米片阵列和CoO@PPy纳米线阵列的合成及其在储能性能方面的测试。本项目的研究为TiO2基半导体光阳极的设计提供了一条新思路，为高效率PN结太阳能电池的成功制备奠定了基础；在充分利用太阳能，拓展TiO2在全无机太阳能电池方面的应用具有十分重要的科学意义。项目执行三年，按照计划完成了研究任务和内容，在国际著名刊物上共发表SCI论文7篇，包含Advanced Materials，Nano Letters等权威杂志，2篇论文入选全球ESI 0.1%热点论文；撰写书籍章节一篇（World Scientific Publishing）；项目负责人在国际和国内学术会议上和科研单位做学术交流7次；培养研究生3名。