[01589806]有序多孔模板可控制备量子点材料及其在太阳能电池中的应用研究

纳米晶是指粒子尺寸为1-100 nm的晶粒,由数百到数千个原子构成。半导体纳米晶,有时也被称为量子点,其半径小于或接近其相应体材料的激子波尔半径,受量子限域效应影响,其能带结构由准连续逐渐演变成类似分子的分立能级,表现出新颖的物理和化学性质,使得它在材料、化学、物理、电子、光学和生物领域有着非常广泛的应用前景。目前,传统的热注射法制备分散度较低的纳米材料要求精确控制工艺流程,制备窗口较窄,且后续的晶核生长速度缓慢,并且须要多次离心和透析等后处理,材料的制备通常要花费数天的时间。另外,为提高晶核分散性和限制晶核生长速度,反应必须在高温沸腾的配位体或表面活性剂中进行。一些非热注射的方法可以在较低温度下合成量子点材料,但对材料的形貌的控制相对较难。发展一套简单可控的量子点,特别是单分散量子点的制备合成技术,将有助于科研工作者深入的研究纳米材料的特性和推动纳米材料在光电器件中的应用。 本项目研究开发了模板法生长半导体纳米材料的技术,并探索其在染料敏化太阳能电池中的应用。基于自主研发的双通多孔氧化铝模板,研究了多孔模板的形貌控制、润湿特性和模板材料生长的策略,获得了具有较高单分散性的Cu2ZnSnS4和CdSe量子点材料,并研究了Cu2ZnSnS4和MoSe2纳米材料作为对电极以及CdSe量子点作为光阳极的染料敏化太阳能电池的应用,提高了染敏电池的性能。具体研究工作如下：1．研究了一次氧化时间对多孔氧化铝模板的孔洞周期性的影响,掌握了磷酸腐蚀扩孔的速度以及铝的氧化速度等,最终获得了优良的氧化铝多孔掩膜,面积可大于2英寸,厚度2-20um, 正反面双通,周期为100-150nm（草酸溶液制备）或300-450nm（磷酸溶液制备）,孔洞大小为0-300nm,边缘有铝支撑,可作为后续的纳米材料生长的优良的模板。2．研究了Wenzel态下的多孔结构的润湿特性,推导了接触角与多孔结构的孔洞直径、厚度和周期之间的关系;通过实验测量,揭示了双通氧化铝模板接触角随孔洞直径和厚度的增大而减少的现象,与理论分析相吻合,给出了提高双通多孔模板亲水性的可行方法。3．理论分析了液滴在多孔材料表面的润湿特性的不同状态,提出了通过控制浸润时间的长短和生长工艺来控制模板生长的纳米材料的形貌的策略,并通过实验进行了初步的验证。4．通过选择不同的模板孔洞大小,并控制浸润时间和生长工艺,项目成功制备了粒径约50 nm的Cu2ZnSnS4量子点、尺寸小于400 nm的Cu2ZnSnS4纳米颗粒和粒径约40 nm的CdSe量子点材料,其中,CdSe量子点具有较高的单分散性。项目基于多孔氧化铝掩膜,采用物理气相沉积和热蒸发的方法,分别生长了周期性的半导体In2S3和贵金属Au颗粒。5．分别研究了纳米的Cu2ZnSnS4和MoSe2修饰的三维多孔石墨烯薄膜在染敏电池对电极中的应用。通过形貌、晶体结构和电化学阻抗谱等测量,验证了高催化性能的Cu2ZnSnS4和MoSe2的纳米结构和大比表面积的三维石墨烯网络之间的协同作用,增强了复合物薄膜的电催化能力;采用Cu2ZnSnS4和MoSe2修饰的三维多孔石墨烯薄膜作为对电极分别制作染敏电池,获得了可与传统Pt对电极比似的光电转换效率。6．研究了CdSe量子点修饰的TiO2光阳极的染料敏化太阳能电池的性能。通过测量CdSe量子点修饰的TiO2光阳极的透过率,确认了CdSe量子点对光阳极的光吸收的提高;研究了不同浓度的CdSe量子点溶液浸泡的TiO2光阳极对染敏电池效率的影响,获得了最优的电池制作工艺,提升了染料敏化太阳能电池的光电转换效率,6×6 mm面积的染料电池效率为6.34%,4×4 mm面积的染料电池效率为8.50%。7．在项目支持下,课题组也在二维材料方面进行了一些前沿课题的探索,生长了二维的In2S3和SnS单晶、大面积单层ReS2薄膜等,并研究了它们在光探测器件上的应用。