中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：無機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)電極在太陽(yáng)能電池、光解水及能量存儲(chǔ)等器件中有著非常廣泛的應(yīng)用。電極的比表面積以及電荷輸運(yùn)能力是決定這些器件性能的關(guān)鍵因素。最近，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員封心建課題組在高性能無機(jī)半導(dǎo)體納米電極的研究中取得了系列新進(jìn)展。
電極材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其電學(xué)性能有著重要影響。傳統(tǒng)具有高比表面積的電極材料是由納米顆粒無序堆積而成，由于晶粒之間大量的晶界和缺陷的存在，使得電荷在其中的擴(kuò)散常數(shù)比在單晶塊體材料中低了6-8個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)重影響了器件的性能。陣列一維納米結(jié)構(gòu)電極為電荷傳輸提供了直接通道。前期工作中相關(guān)人員通過溶劑熱法成功的在透明導(dǎo)電玻璃上制備了單晶陣列一維TiO2納米線，并通過瞬態(tài)光電測(cè)試方法證明了該結(jié)構(gòu)具有比納米顆粒薄膜快200倍的電子傳輸速度（Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2727–2730)。通過將該陣列結(jié)構(gòu)電極應(yīng)用于鈣鈦礦固體太陽(yáng)能電池中，實(shí)現(xiàn)了近12%的光電轉(zhuǎn)換效率（Chem. Comm. 2014, 50, 14720-14723. 內(nèi)封面）。
陣列一維納米結(jié)構(gòu)擁有快速的電荷傳輸性能，但其比表面積比納米顆粒薄膜要小很多，因此，通過對(duì)電極的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)控，制備同時(shí)具有高比表面積和快速電荷傳輸性能的納米結(jié)構(gòu)，是未來無機(jī)半導(dǎo)體納米電極材料發(fā)展的重要方向。最近，研究人員通過兩種調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)的方式制備了同時(shí)具有高比表面積和快速電荷傳輸性能的電極材料。
第一，在陣列一維TiO2納米線的基礎(chǔ)上制備了陣列三維分枝電極結(jié)構(gòu)。分枝結(jié)構(gòu)沿著一維主干外延生長(zhǎng)，極大的減少了分枝與主干之間晶界和缺陷。該電極結(jié)構(gòu)同陣列一維結(jié)構(gòu)擁有相似的快速電子傳輸性能，而其比表面積卻比一維結(jié)構(gòu)提高了71%，并帶來了52%的光電轉(zhuǎn)換率的提高。相關(guān)工作發(fā)表于Nano Lett. 2014, 14, 1848-1852，并受到廣泛關(guān)注，成為該雜志月閱讀量最大的前20篇文章一。
第二，利用大晶格材料的晶格定向收縮制備了類單晶的陣列多孔結(jié)構(gòu)。通過對(duì)金屬離子的配位動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行調(diào)控，制備了具有大晶格的陣列單晶一維羥基氟化鋅納米材料。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可控處理，伴隨著羥基氟化鋅晶胞的定向收縮以及小分子的脫除，首次得到了具有類單晶特性的陣列多孔氧化鋅納米線。這種轉(zhuǎn)變還使得所制備的陣列氧化鋅納米線具有特殊的[10-10]晶格取向。厚度為25微米的電極材料擁有955的表面粗糙因子，和傳統(tǒng)納米顆粒薄膜相當(dāng)；而其電子傳輸速度卻比納米顆粒薄膜快了至少1000倍，是非常理想的電極結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作發(fā)表于J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16772-16775。
上述研究工作受到國(guó)際同行的廣泛關(guān)注，應(yīng)國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)（SPIE）的邀請(qǐng)，撰寫了研究綜述The synthesis and assembly of 1D semiconductor for solar energy conversion，并發(fā)表在SPIE官方網(wǎng)站上。
該系列工作得到國(guó)家青年千人計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院以及蘇州納米所的大力資助。
圖1 具有快速電子傳輸性能的陣列三維枝狀二氧化鈦納米電極。(Feng, X. J * Nano Lett. 2014, 14, 1848-1852.)
圖2 具有快速電子傳輸性能及[10-10]生長(zhǎng)方向的陣列多孔道氧化鋅納米電極。(Feng, X. J * J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16772-16775.)
