铜硫化物纳米结构阵列的构筑及其在量子点敏化太阳能电池中的应用

Copper sulfides (CuxS, x = 1-2) have attracted numerous attention because of their various stoichiometric composition and valence, complicated structures and unique properties. Based on our previous work, this project plans to realize the in situ growth of CuxS nanosheet arrays on conductive substrates by pre-treating the surface of conductive substrates (e.g., planting CuxS seed layer or electrochemical depositing Cu thin film); realize several kinds of CuxS nanosheet arrays by adjusting the growth methods and conditions, then develop one or two general routes to prepare CuxS nanosheet arrays, and study the corresponding growth mechanism; assembly such CuxS nanosheet arrays as counter electrodes into quantum dot-sensitized solar cells, test their electrocatalytic activity, and investigate the determining factor of their performance; extend the types of CuxS nanostructure arrays, for example, use template-assisted methods to form CuxS nanotube/nanorod arrays, and study the relationship between their nanostructures and electrocatalytic performance; extend the conductive substrates for the growth of CuxS nanostructured arrays, such as carbon fibers, graphene and polymer thin films, in order to organize flexible QDSSCs.

铜硫化物(CuxS, x = 1-2)凭借其多变的化学计量组成和价态，复杂的结构以及独特的性质一直吸引着人们的注意力。本项目拟在申请者前期工作基础上，通过对导电基底表面进行预处理（如种植CuxS种子层或电化学方法沉积Cu金属薄膜）来实现CuxS纳米片阵列在导电基底表面的原位生长；通过调控CuxS纳米片阵列的生长条件（水热/溶剂热/化学浴反应）来实现多种CuxS纳米片阵列的合成，发展一种或二种用于CuxS纳米片阵列制备的普适方法，并进一步深入探究其相应的结构生长机制；将各种CuxS纳米片阵列组装到QDSSC器件中，测试它们的电催化性能，并研究它们性能差异的决定性因素；拓展CuxS的纳米结构类型，如通过模板法制备纳米管/纳米棒阵列，研究其电催化性能与纳米结构的构效关系；拓展CuxS纳米阵列的生长基底，如碳纤维、石墨烯、聚合物薄膜，为实现柔性QDSSC器件的组装提供基础电极材料。

铜硫化物凭借其多变的化学计量组成和价态，复杂的结构以及独特光电特性受到广泛的研究。本项目基于铜硫化物开展高性能硫化物电极的设计与制备，并将其作为对电极应用于量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）：通过对导电基底表面进行预处理（如种植CuS种子层或磁控溅射沉积Cu金属薄膜）来实现CuS纳米片阵列在导电基底表面的原位生长；通过调控CuS纳米片阵列的生长条件（水热/溶剂热/化学浴反应）来实现多种CuS纳米片阵列的合成；将各种CuS纳米片阵列组装到QDSSC器件中，测试它们的电催化性能，并研究它们性能差异的决定性因素；基于CuS纳米片发展复合硫化物电极，如Co9S8/CuS三维纳米阵列，进一步提高硫化物电极的电催化活性；拓展铜硫化物的纳米结构类型，如通过模板法制备Cu2S纳米棒阵列；拓展CuxS纳米阵列的生长基底，如钛纤维、碳布、泡沫镍、钛网等，为实现柔性QDSSC器件的组装提供基础电极材料。项目成功实现（1）不同表面形貌的CuS纳米片阵列在透明导电基底表面均匀、牢固的生长，（2）Cu2S粗糙纳米棒阵列在铜箔表面的原位生长，（3）基于铜硫化物的三元Cu2Mo6S8三维结构的构筑，（4）Co9S8/CuS复合硫化物电极在软、硬多种基底表面的普适生长，（5）Cu2S纳米片和NiCo2S4纳米棒等硫化物薄膜在钛纤维表面的成功生长，在平面、刚性、液态的QDSSCs器件上获得4.5%的光电转化效率，而在纤维、柔性、固态的QDSSCs器件获得3.41%的效率；与此同时，项目还进一步拓展了铜硫化物的应用领域，尝试其在光催化、超级电容器方面的应用潜能，为后续基于硫化物电极的复合体系，如太阳能电池-超级电容器和太阳能电池-光催化一体化、自供电系统提供初步可行性数据；此外，硫化物在不同基底表面的良好生长也为后续可穿戴能源器件的进一步开发奠定了良好的材料基础。