新型BiOBr-BiOI/TiO2纳米异质有序阵列的生长调控与光电性能研究

为了提高氧化钛对太阳光的响应范围，提高光生载流子的传输速率以及寿命，本项目结合一维纳米线的传输优势，设计了以对可见光有较好吸收的窄带半导体BiOBr，BiOI包覆的TiO2纳米线太阳能电池光阳极，明显拓宽了光阳极的响应光谱范围，研究了不同包覆量对光电性质的影响。具体完成的研究内容及结果如下：（1）在透明导电玻璃基底上实现了TiO2 纳米线阵列的控制生长，通过调控种晶层、前驱物的浓度、反应时间和添加剂等，获得了不同直径、不同疏密程度和取向的单晶TiO2纳米线阵列，研究了厚度对TiO2纳米线阵列光吸收谱的影响。（2）获得了BiOX/TiO2纳米异质阵列。首先在TiO2表面引入了ZnO牺牲层。这里采用了两种方法：一种方法是利用胶体溶液吸附及后退火处理方法，另一种方法是采用原子层沉积法。在（1）所得优化的纳米线阵列的骨架上，我们以BiX3为合成BiOX的前驱物进行水解反应，通过选择合适的醇类溶剂以及调节其浓度及比例、反应的时间和温度来控制BiOX的生长（成分比例、形貌、尺寸、结晶度等）。最终制备出了较好的同轴复合异质有序阵列薄膜。复合薄膜的吸收光谱表明，引入的BIOX能显著改善光电极对可见光的响应。（3）在模拟太阳光（AM1.5）辐射下测试了BiOX/TiO2纳米异质阵列的光电性能。结果表明，BiOX/TiO2纳米异质阵列的光电流与BiOX合成时前驱体的浓度密切相关，低浓度的前驱体能获得较大的光电流（0.22mA/cm2）。两组分（BiOI，BiOCl）包覆时，比单一组分（BiOI）表现出更大光电流。除此之外，还研究了导电基底上其他氧化物阵列薄膜的制备及电化学性能，如MnO2纳米片阵列和CoO@PPy纳米线阵列的合成及其在储能性能方面的测试。本项目的研究为TiO2基半导体光阳极的设计提供了一条新思路，为高效率PN结太阳能电池的成功制备奠定了基础；在充分利用太阳能，拓展TiO2在全无机太阳能电池方面的应用具有十分重要的科学意义。项目执行三年，按照计划完成了研究任务和内容，在国际著名刊物上共发表SCI论文7篇，包含Advanced Materials，Nano Letters等权威杂志，2篇论文入选全球ESI 0.1%热点论文；撰写书籍章节一篇（World Scientific Publishing）；项目负责人在国际和国内学术会议上和科研单位做学术交流7次；培养研究生3名。