具有共格/半共格界面关系的Cu2O-TiO2异质结的制备及其形成机理研究

As the recombination center of photo-induced electron-hole pairs, interface defect reduces the efficiency of separation and transmission of photon-generated carrier around the interface of heterostructure, and restricts the photoelectric conversion efficiency of heterojunction. In this proposal, the Cu2O nanoparticles with high index facets are deposited into the TiO2 nanotubes by the square wave potential pulse method, to fabricate Cu2O-TiO2 heterostructure with coherent/semicoherent interfaces. The heterostructure improves the contact quanlity of interface and enhances separation and transmission efficiency of the photoinduced electron-hole pairs. Through the characterization and analysis of interface structure, the nucleation and growth mechanism of heterogeneous nucleation of Cu2O on TiO2 is revealed, and the formation mechanism of Cu2O-TiO2 heterostructure with coherent/semicoherent interface is clarified. Further, the crystallographic model is proposed for the coherent/semicoherent interface between Cu2O nanoparticles with high index facets and TiO2 nanoparticles. Finally, we evaluate the photoelectric properties of Cu2O-TiO2 heterostructure with coherent/semicoherent interface are evaluated. This research will provide new way for fabricating the high efficient and low cost solar cells.

界面缺陷作为光生电子空穴对复合中心，降低了光生载流子在界面处的分离和传输速率，制约了异质结光电转换效率。本项目拟采用方波电势脉冲法在TiO2纳米管中沉积表面为高指数晶面的Cu2O纳米颗粒，制备出具有共格/半共格界面关系Cu2O-TiO2异质结构，改善异质结界面的接触质量，提高光生电子空穴对的分离和传输效率。通过对界面结构的表征与分析，揭示Cu2O以TiO2为异质晶核时的形核及生长规律，阐明以Cu2O中典型高指数晶面为共格/半共格界面的Cu2O-TiO2异质结的形成过程和形成机理。建立Cu2O高指数晶面与TiO2晶面之间的共格/半共格异质结界面晶体学模型。在此基础上，通过对Cu2O-TiO2异质结材料的光电性能测试和评价，以期为开发高效廉价的太阳能电池提供新途径。

项目针对在计划任务书中提出的制备出表面为高指数晶面的Cu2O纳米颗粒并揭示其形成机理；阐明具有共格/半共格界面关系异质结的形成过程和揭示其形成机理；将表面为高指数晶面的Cu2O纳米颗粒沉积进入TiO2纳米管的三维间隙中关键科学问题进行了相关研究。重点研究了不同形貌Cu2O纳米颗粒的可控制备，通过改变Cu2O形核过程中的微区化学环境，调控Cu2O纳米颗粒表面的暴露晶面，建立不同形貌和暴露晶面之间的关系，从而实现不同暴露晶面的可控制备，为制备高指数晶面的Cu2O纳米颗粒提供了实验依据；在此基础上，将不同形貌的Cu2O纳米颗粒负载到TiO2纳米片上形成Cu2O/TiO2异质结构，研究了不同形貌的Cu2O对异质结光学和光电化学性能的影响，特别是不同形貌Cu2O与TiO2界面结构对光生电子和空穴分离和传输的影响。尤其是具有高指数晶面Cu2O在TiO2纳米片上成核和生长过程，研究了高指数晶面Cu2O与TiO2界面结构对Cu2O/TiO2异质结构光电化学性能的影响。.总体而言，经过项目组成员的三年的不懈努力，本项目进展比较顺利，基本实现了既定目标。在Cu2O纳米颗粒可控制备方面得出了一些成果，特别是在制备具有高指数晶面在Cu2O纳米颗粒方面得出了一些结果。通过调节制备工艺路线以及探索具有高指数晶面在Cu2O纳米颗粒形成机理，得出利用脉冲电流的方法可以制备出具有高指数晶面暴露的Cu2O纳米颗粒。并将此Cu2O纳米颗粒负载于TiO2纳米片上，详细的研究了Cu2O和TiO2之间的界面取向关系。并研究了其显微结构与光电化学性能之间的关系，特别是界面结构与电子传输之间的关系，从而改善了Cu2O/TiO2异质结的光电化学性能。截止2017年底，在基金的支持下，本项目组成员在solar energy material & solar cells, crystengcomm, journal of alloy and compound, journal of solid state electrochemistry等期刊上发表论文8篇，均为第一通讯作者文章，目前仍有部分工作在审稿过程中。此外，在项目执行期间，本项目组成员申请了专利6项（其中两项已授权），培养毕业博士研究生1名，硕士研究生6名。