用慢正电子束研究介孔二氧化钛薄膜电极的微结构及其电子输运机理

Dye-sensitized solar cells are a promising nenrgy resource, and titania (TiO2) is one of the most popular materials for the porous film electrode in soler cell fabrication, thus considerable attention has been paid to it. However, due to the limited techniques for the invesitigation of the microstructure of TiO2 thin films, studies so far are focused on the application related issues instead of the electron transportation properties in the titania thin film electrode. This proposal aims to study the relationship between such microstructure of mesoporous TiO2 thin films as crystal structure, surface morphology, defects, mesoporous structure and the electron transportation by adopting the unique slow positron beams in addition to the traditional characterization techniques. By adjusting the film fabrication conditions and post thermal treatment, it is expected to tune the microstructure of TiO2 thin film. Hence, theoretical foundation and experimental guidance could be further developed for the application of thin films to electronic devices.

染料敏化太阳能电池是一种具有光明前景的替代性能源，二氧化钛（TiO2）是最受欢迎的用于染料敏化太阳能电池的多孔薄膜电极材料之一，因此成为该研究领域的热点。然而，由于TiO2薄膜微观结构的研究手段有限，目前大量研究关注于介孔TiO2薄膜的应用问题，而尚未明确电子在其中的传输机理。本项目拟通过改变制备条件和后处理方法来调控介孔TiO2薄膜的微结构，采用独特的慢正电子束技术，结合其他常规实验方法，研究介孔TiO2薄膜电极的微观结构（晶体结构、表面结构、缺陷结构、介孔结构）与电子输运性质之间的联系。期望确立电子在介孔TiO2薄膜电极中传输的微观机理，优化制备工艺，获得性能优异的介孔TiO2薄膜，为薄膜电子器件的开发提供理论基础和实验指导。

本项目基于介孔TiO2在薄膜电极方面的迫切需求，利用多种常规的表征方法和独特的慢正电子束技术，开展了介孔TiO2薄膜电极的微结构和电子输运机理的研究。本研究的微结构包括从原子尺度的空位、晶界等缺陷，到纳米尺度的空孔，有利于更全面地了解介孔TiO2薄膜微结构，从而进一步确立影响电子输运的微观机理。从微观本质出发，有利于指导优异性能的介孔TiO2薄膜电极的制备工艺的改进。.研究表明，模板剂含量在调控介孔TiO2的晶体结构（晶界、晶相、粒径等）和介孔结构（孔形态、孔径、有序性、孔隙率等）及缺陷（种类、大小、浓度等）中起着重要作用。随着模板剂含量的增加，TiO2薄膜的结晶增强，薄膜的空位/晶界随之减少。TiO2薄膜的孔隙率和表面粗糙度随着F38含量的增加而增加。当模板剂含量达到约15wt%后，随着孔隙率的增加，孤立的小孔连通成蠕虫状孔。为了阐明润湿性对固体表面粗糙度的依赖性，本研究提出了一种规则的简单粗糙表面模型。水在TiO2薄膜表面的润湿行为不仅取决于其表面粗糙度，还取决于孔形态。对于孔形态相似的表面，其润湿性与Wenzel方程定性一致。当孔形态显著变化时，TiO2薄膜的表面润湿性则发生转变。.本研究将基于慢正电子束的湮没辐射多普勒展宽谱测量中的两种样品-正电子束几何应用于测定介孔薄膜中孔排列的各向异性。将同一薄膜以正电子束为轴旋转90°后，具有有序排列纳米通道的薄膜的S和W参数存在显著差异，而I3γ相同。此外，随着孔排列有序性的增加，W参数的变化更加明显。该研究为鉴别平行于薄膜表面的有序孔排列提供了一种新的简单方法，即通过电子偶素在有序排列孔中局域的各向异性。