基于掺杂TiO2纳米管的染料、聚合物同轴双异质结有序阵列的光伏特性研究

In this research project, at first, coaxial dual-heterojunctions of dye/TiO2 and P3HT-PCBM are fabricated in series by liquid phase self-assembling method on the walls of doped TiO2 nanotube arrays which be peeled off from Ti substrate and transferred onto FTO-coated glass substrate, and then PDBr-EDOT nanowire arrays are in-situ polymerized along the former iner hollow walls for high-efficiency hole transport. The project aims at constructing a new model for charge carries lateral separation and axial transport to increase the internal and external quantum efficiencies, which could simultaneously enhance the open-curcuit voltage and short-curcuit current of the polymer photovolatic cells. Such new structural design would also have the following advantages: 1) Not only the selection and optimization of the structural parameters have a highly flexibility, but also the preparation technology have better controllability; 2) Oxidization resistant of the atmosphere for the photoactive materials in the nanotubes is conducive to improve the stability of the cells; 3) Such simple coaxial dual-heterojunction structure is easy to modeling analysis and theoretical research, which would benefit to deeply understand the physical mechanisms of photoelectricity transformation. The research project will bring us important theory significance and potential practical values for the development of a new type of ordered bulk heterojunciton polymer photovoltaic devices.

该项目的总体研究思路是基于掺杂TiO2纳米管有序阵列厚膜，采用液相自组装技术，先在纳米管内壁构筑染料/TiO2和P3HT-PCBM同轴串联双异质结，尔后沿其中空内壁原位聚合高效传输空穴的聚合物PDBr-EDOT纳米线阵列，旨在构建一种能使光生载流子沿纳米管横向分离、纵(轴)向输运与收集的新型纳米有序体相异质结模式，以企同时提高聚合物光伏器件光电转换的内、外量子效率，进而有效增加其开路电压与短路电流。该结构设计具有如下优点: 1)不仅结构参数的选择与优化具有很大的灵活性，且制备工艺具有很好的可控性；2)处在纳米管内的光活性材料与大气隔绝，不易氧化，有利于改善器件的稳定性；3)这种同轴双异质结有序阵列结构简单，易于建模分析和理论研究，对深入探究光生载流子的分离、传输、收集等光电转换重要环节的机理非常有益。该课题对研发纳米有序体相异质结阵列结构的聚合物光伏器件具有重要的科学意义和潜在的实用价值。

本项目旨在构筑基于TiO2纳米管（棒、片）几类不同构型的同轴异质结纳米有序阵列薄膜，以企获得能使光生载流子横向分离、纵向输运具有较高光量子效率的样品，进而在光伏、光催化等领域开展系列应用基础研究。本项目执行期间（2014.1-2017.12），主要开展了四方面的工作：一是探索并掌握了可控制备TiO2/FTO纳米管（棒、片）有序阵列透明光电极的新工艺并完成了工艺参数群的优化；二是分别在气、液、固相条件下对光电极进行元素（C、N）及氧空位（Ti3+）可控掺杂改性，有效拓展了其光谱响应范围、提高了光量子效率、降低了功函数并改变了表面能等；三是选用窄带隙有机或无机半导体材料（P3HT、CdS等）构筑不同构型的同轴异质结纳米有序阵列薄膜，并重点研究其光伏、光催化、场致电子发射以及表面润湿等理化性能，深入系统地探究了该类异质结构中光生载流子分离、输运与收集等过程的物理机理及其相关的光电转换特性；。四是还适时拓展了铜锡硫（CTS）、铜锌锡硫（CZTS）、钙钛矿（CH3NH3PbI3）薄膜等新材料的合成及其与TiO2光子晶体复合形成新型同轴异质结阵列结构的设计制备及光伏和光催化性能研究。上述研究均取得了很好的研究成果。. 项目执行期间共发表期刊论文21篇，其中SCI收录论文19篇（I区2篇，II区10篇），国内核心期刊2篇，会议论文5篇，学位论文7部；获国家授权发明专利2项；或甘肃省高校科技进步奖2项；培养博士研究生1名，硕士研究生13名。总之，我们较高质量地完成了本项目的研究任务，实现了预期研究目标，为进一步研发基于同轴异质结构高效率、长寿命的光伏器件提供了翔实的科学依据。