基于TiO2纳米管光阳极染料敏化太阳能电池构-性及机理研究

纳米TiO2被公认为综合性能最优的一种电化学太阳能电池光阳极材料，本申请针对当前染料敏化太阳能电池中若干关键性科学问题，侧重研究纳米有序结构TiO2光阳极的构－性关系及规律。通过对纳米TiO2结构的合理设计、精确裁剪和表面修饰，构筑多种结构完美、高度有序的TiO2纳米管膜层材料，包括长管型、量子点、复合型、异质结型、微图案化型等多种结构，试图改善光阳极的电荷分离和传输、减少光电子复合、增强光吸收利用和染料分子吸附激发，进一步提高染料敏化太阳能的光电转化效率。探明TiO2纳米管各种关键性结构因素、异质效应及表面状态对光电转化过程的影响及相关的本质机理，揭示纳米TiO2结构与光电特性及光电转化效率的内在关系，为发展高效实用的纳米TiO2电化学太阳能电池提供理论指导。

国家自然科学基金面上项目“基于TiO2纳米管光阳极染料敏化太阳能电池构-性及机理研究”（51072170），研究年限：2011.01-2013.12。按项目任务书，瞄准目标和科学前沿，针对一维纳米TiO2光阳极的关键性技术和科学问题，努力攻关，现已超额完成课题研究任务，取得若干创新性成果和显著进展，达到预期目标。.（1）采用水热法和化学刻蚀成功制备了高比表面列致密的单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极，通过进一步结构的优化成功制备了膜层厚度达~74μm的金红石TiO2纳米棒阵列。将所制备的样品应用在染料敏化太阳能电池中，优化后的电池效率达到7.24%。.（2）结合二次电化学阳极氧化法和水热后处理技术，成功制备了两种具有不同分级结构的TiO2 纳米管阵列：（i）表面高度粗糙化的锐钛矿型TiO2纳米管阵列结构，从而显著提高TiO2纳米管阵列的表面积；（ii）在完美结构TiO2纳米管表面形成锐钛矿TiO2/金红石TiO2和纳米管/纳米棒双重异构异质结构，不仅提高了TiO2纳米管阵列的表面积，还显著增强了载流子的分离能力和电子传输特性。DSSC的PCE提高到7.91%，取得国际相关研究的最高水平。.（3）采用制备了三种具有三维分级结构的TiO2纳米材料：花状金红石团簇、金红石微米球和锐钛矿纳米球。三维分级结构结合了纳米构建基元(高表面积和高效电子通道)和微纳米三维框架(良好的光散射性能)的优点，染料敏化太阳能电池性能优异，电池效率达到8.50%。.（4） 利用“溶解和生长”方法在碳纤维表面直接制备出均匀致密的TiO2纳米棒阵列，并且通过刻蚀的办法将纳米棒刻蚀成高长径比的束状纳米线，成功的将TiO2束状纳米线和纳米棒应用到线状DSSCs中，首次获得高转换率的全碳柔性结构的DSSC。.三年来在国际著名刊物发表SCI论文32篇，申请发明专利12项 。获得中国电化学杰出贡献奖和厦门市重大科技贡献奖2项，培养博士生6人，硕士生4人，与美国开展实质性科研合作，取得显著成果。