中空硫属化合物异质纳米结构的合成及催化性能研究

The conversion of solar energy to electrical energy is an attractive process to address both energy and environmental issues. Solar cell technology basing on photoelectric conversion is generally considered to be an important solution way. This project is aiming to design low-cost, efficient counter electrode (CE) materials for highly efficient dye-sensitized solar cells (DSSCs). The designed hollow chalcogenides based heteronanostructures fully take the advantages of useful structure and efficient materials: (1). The formed Mott-Schottky heterojunctions in the hybrid CEs can efficiently promote the charge transfer in the interface; (2) Hollow nanostructure can provide more active sites, (3) The metal alloy CEs with optimal element ratio not only enhance the catalytic activity toward the reduction of I3− in DSSCs, but also overcome the low conductivity of sulfide and high price of noble metal. Based on their energy schemes and chemical properties, different chalcogenide heterojunctions materials will be designed and synthesized. The effects of crystal structure, composition, surface properties, morphologies structures and rectifying characteristics to the catalytic activity and CE performances will be studied. It will be focused research that how the types, energy structures and morphology affect the rectifying characteristics and catalytic activity to reduce I3-. Finally, the electron transfer and mass diffusion mechanism in the chalcogenide heterojunctions CE materials will be summarized. And the junctions will be optimized to obtain high performance CE materials for DSSCs.

将太阳能转变为电能是解决能源危机和环境问题的理想途径，基于光电转化的太阳能电池技术是一种重要的解决方案，而该技术的核心在于高效太阳能电池的开发。本项目以高效染料敏化太阳能电池（DSSCs）的应用为背景，以廉价、高效、稳定对电极材料的开发为突破点，设计合成中空硫属化合物-金属合金异质结复合对电极。该设计将充分利用对电极催化剂在结构、组分等方面的优势：（1）中空结构提供更多活性位点；（2）金属合金-半导体之间形成的肖特基结整流效应有效促进电荷在界面处的快速转移；（3）优化的金属合金对电极不仅具有更好的催化活性，而且有利于解决硫化物对电极电阻率高以及贵金属成本高的难题。项目围绕异质结组成单元的组分、形貌以及异质结整流特性与催化活性、能量转换效率之间的构效关系展开研究，探索对电极界面处发生的氧化还原反应的电子传输和物质扩散规律，为理性设计高活性、低成本DSSCs对电极材料提供新的途径。

染料敏化太阳能电池是新一代太阳能光伏器件，具有价格低廉、封装工艺简单、以及较高的光电转化效率等优势。经典的DSSCs 具有“三明治”结构：染料敏化的TiO2 光阳极，含有I3−/I−电对的电解液和对电极。其中，对电极在提高DSSCs 的光电转换效率和保持器件稳定性方面扮演重要角色。传统的对电极是由镀铂（Pt）的导电玻璃充当，但由于Pt 价格昂贵，而且易被碘电解液腐蚀，从而限制了DSSCs 的大规模应用。因此，设计合成价格低廉、性能优良且稳定性好的新型对电极材料对DSSCs的发展具有重要现实意义。本项目在既往工作的基础上，以中空Cu、Fe、Co、Ni及Mo基硫属化合物为构建异质结的半导体材料，在能带工程理论的指导下，设计合成具有整流效应的中空硫属化合物-金属合金异质结或者半导体-半导体异质结；并详细考察异质结组成单元的形貌、元素比例、表面性质、合成方法等对其整流特性和催化活性的影响，为构建高活性、低成本DSSCs 光伏器件奠定基础。. 根据该项目申请书及计划任务书，我们曾承诺：通过该项目研究，预期在国内外重要学术期刊(SCI & EI和国内核心期刊)上发表高水平研究论文3-4篇；对于具有重要应用价值的研究成果将申请国家发明专利2-4项。实际执行过程中，发表学术论文、专利及会议论文共31篇(项)，均标注了国家基金资助。其中SCI论文18篇，如国际著名顶级期刊ACS Applied Materials & Interfaces，Carbon，Journal of Power Sources等，中文期刊2篇，国际会议7篇，国内会议2篇，申请中国发明专利授权1项。在项目的资助下，申请者也获得了中国博士后基金一等项目资助。较好地完成了项目申请时的各项研究目标，获得了丰硕的研究成果。