各向异性刻蚀制备新型TiO2介孔纳米管及在陷光太阳能电池中的应用研究

The highest efficiency of 12.3% dye-sensitized solar cell ( DSSC ) is reported in Science magazine In 2011 November, comment from Science points out that the novel trapping structure in DSSC is an effective way to achieve 15% efficiency. This propasal solves the bottleneck problem of the low dye adsorption and photoelectric performance of rutile TiO2, and carry out the basic research on the application of this novel rutile TiO2 in an efficient "anatase/rutile/anatase" light trapping structured DSSC.Based on the thorough understanding of the anisotropic etching mechanism, pyramid V-type rutile TiO2 nanotubes with mesoporous wall and a designed crystal plane is fabricated, and the basic theory of micro-nano structurs and controllable crystal face on the photoelectric property will be studied. Novel rutile TiO2 nanotube is used as sandwich layer of "anatase/rutile/anatase" photoanode in the light trapping structure based on the refractive index,the photoanode parameters will be optimized to reduce the reflection and transmission of the incident light. The effect of structure and morphology, particle size, refractive index, film thickness, dye adsorption and composite interface on the photoelectric property will be investigated. The principle of synergistic enhancement of material composition, micro-nano structure and composite interface on the photoelectric conversion will be interpreted.This proposal provides theoretical basis and technical approach to the fabrication of an efficient light trapping DSSC.

2011年11月《Science》的评论指出：新型陷光结构是DSSC效率达到梦寐以求15 %的有效途径。本课题拟开展"锐钛矿/金红石/锐钛矿"高效陷光结构材料的设计和制备的应用基础研究，解决陷光结构中金红石TiO2染料吸附和光电性能差的共性难题。具体采用各向异性刻蚀机制，深入掌握TiO2各向异性刻蚀反应机理及习性演变规律，可控合成具有介孔管壁和高效光电转化晶面的倒金字塔V-型金红石TiO2纳米管，开展材料的微-纳结构和可控晶面与光电性能相关的基础理论研究。并以此作为"夹心层"，构筑折射率变化的 "锐钛矿/金红石/锐钛矿" 陷光结构光阳极，优化出减少入射光反射和透射的光阳极膜层参数，研究膜层材料的组成、结构和形貌、表面缺陷、折射率、膜厚、染料吸附和复合界面对光电性能的影响规律。阐明光阳极材料组成、微-纳结构和复合界面协同提高光电转化性能的原理，为高效陷光结构DSSC提供理论基础和技术途径。

本课题开展了“锐钛矿/金红石/锐钛矿”高效陷光结构材料的设计和制备的应用基础研究，解决了陷光结构中金红石 TiO2 染料吸附和光电性能差的共性难题。具体采用各向异性刻蚀机制，掌握 TiO2 各向异性刻蚀反应机理及习性演变规律，可控合成了具有介孔管壁和高效光电转化晶面的倒金字塔 V-型金红石 TiO2 纳米管，开展了材料的微-纳结构和可控晶面与光电性能相关的基础理论研究。并以此作为“夹心层”，构筑折射率变化的“锐钛矿/金红石/锐钛矿” 陷光结构光阳极，优化出减少入射光反射和透射的光阳极膜层参数，获得了膜层材料的组成、结构和形貌、表面缺陷、折射率、膜厚、染料吸附和复合界面对光电性能的影响规律。阐明了光阳极材料组成、微-纳结构和复合界面协同提高光电转化性能的原理，为高效陷光结构 DSSC 提供理论基础和技术途径。在本项目的资助下，通过各向异性刻蚀，制备了一系列的TiO2纳米材料，建立了各向异性刻蚀制备纳米管的新方法和理论基础，优化了染料敏化太阳能电池的结构，使得电池的光电转化效率有了很大的提升，同时采用本课题制备的新材料和提出的陷光结构新方法，研究和制备了大面积染料敏化太阳能电池，并根据太阳能电池的发展新方向，将该方法进一步拓展至钙钛矿太阳能电池研究领域。在课题资助下发表了相关SCI论文20余篇，申请专利多项。