染料敏化太阳能电池钛基光阳极激光复合制造新技术及机理研究

Photoanode is a key component in dye-sensitized solar cells. The self-supported anatase TiO2 micro/nanostructures on a Ti base have attracted tremendous interest due to their excellent performance. Currently, the fabricated TiO2 structures are mainly one-dimensional, which limits the photoelectric conversion efficiency. This proposal aims to achieve three-dimensional self-supported anatase TiO2（3D-TiO2）directly fabricated on Ti base through an innovative hybrid fabrication method involving ultrashort pulse laser ablation coupled with chemical/electrochemical oxidation and annealing. Recently, a prototype 3D-TiO2 structure has been achieved in our group, and hence the feasibility of our fabrication method verified. This study will eventually establish and optimize the complete fabrication process, and reveal the evolution mechanism of 3D-TiO2 by investigating the relationship among process parameters, resulting 3D-TiO2 structures and properties. The proposed hybrid fabrication method can be readily extended to fabrication of a wide range of functional metal oxides, which hold great potential in applications such as solar cells, photocatalysis, and lithium ion battery.

光阳极是染料敏化太阳能电池的核心部件。以金属Ti作为导电基底直接制备自支撑锐钛矿TiO2微纳米结构是高性能光阳极国内外研究的前沿热点。但现有方法制备的TiO2多为一维微纳米结构，对染料敏化太阳能电池光电转换效率的提升效果十分有限。本项目针对在Ti基底上制造自支撑锐钛矿TiO2三维微纳米结构的技术需求和挑战，提出“超短脉冲激光刻蚀-化学/电化学氧化-退火”复合制造新方法，有望实现染料敏化太阳能电池光阳极性能的突破。申请人对该复合制造方法进行了预研，证明了技术的可行性。项目将优化复合制造工艺，研究揭示激光刻蚀的微纳米结构后续化学/电化学氧化的规律以及自支撑锐钛矿TiO2三维微纳米结构、性能演化机制，建立复合制造工艺参数-自支撑锐钛矿TiO2三维微纳米结构-光阳极性能之间的映射关系。该复合制造方法还可拓展到其它金属表面功能氧化物的制备，在太阳能电池、光催化、锂离子电池等领域具有良好的应用前景。

光阳极是染料敏化太阳能电池的核心部件。以金属Ti作为导电基底直接制备自支撑锐钛矿 TiO2微纳米结构是高性能光阳极国内外研究的前沿热点。但现有方法制备的TiO2多为一维微纳米结构，对染料敏化太阳能电池性能的提升效果十分有限。.本项目针对在Ti基底上制造自支撑锐钛矿TiO2三维微纳米结构（3DTi-TiO2）的技术需求和挑战，采用飞秒激光-水热法、飞秒激光-化学氧化法分别实现了3DTi-TiO2的“结构-功能”一体化制造，主要开展了飞秒激光刻蚀工艺、水热法/化学氧化工艺及3DTi-TiO2演变规律与调控机理、3DTi-TiO2结构与性能关系研究、3DTi-TiO2光阳极综合性能及应用拓展四个方面的研究内容。.项目团队系统研究了1030 nm和515 nm两种波长的飞秒激光刻蚀规律，建立了工艺参数与刻蚀微结构特征之间的关系，实现微结构调控，并提出高效制造策略。系统研究了水热、化学氧化工艺对微结构形貌和物相的影响规律，揭示了锐钛矿TiO2的形成机制和微结构对3DTi-TiO2的影响机制，获得了“3DTi-无定形TiO2-锐钛矿TiO2”转变的影响规律，实现对3DTi-TiO2的微纳双尺度调控。系统研究了3DTi-TiO2的结构特征对表面润湿性、光散射、染料吸附、光电转换效率等的影响规律，建立了制造工艺参数-结构-性能之间的映射关系，构建了优化的3DTi-TiO2纳米线-TiO2纳米颗粒分级结构。项目执行期间，共发表学术论文10篇，其中ACS Sustainable Chemistry & Engineering 、Applied Surface Science等SCI文章6篇、中国激光、中国表面工程等中文文章4篇。项目提出的TiO2激光-化学制备方法获得授权国家发明专利2件。项目负责人受邀国际会议作主旨报告1次，特邀报告3次。.项目提出的复合制造方法还可拓展到其它金属表面功能氧化物的制备，在太阳能电池、光催化、SERS等领域具有良好的应用前景。