金屬氧化物有序納米結(jié)構(gòu)陣列在染料電池中的應用

染料敏化太陽電池(DSSC)由工作電極及其上附著的染料分子、電解液和對電極組成。其中的工作電極發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它既是染料分子的載體，又是光生載流子的傳輸通道。本項目主要研究了通過改進工作電極提高DSSC性能的各種途徑。所取得的主要成果包括以下幾點. 一、用氯化鈦(TiCl4)和異丙醇鈮(Nb(OC3H7)5)處理了二氧化鈦(TiO2)工作電極表面,使得TiO2表面同時覆蓋有TiCl4和Nb2O5，既提高了短路電流，又提高了開路電壓，從而得到了更高的轉(zhuǎn)換效率。 二、用水熱合成法制備了分級結(jié)構(gòu)TiO2納米棒和分級結(jié)構(gòu)TiO2納米顆粒,并將它們應用在DSSC的散射層中。這些分級結(jié)構(gòu)具有很大的比表面積，增加了染料分子的吸附和入射光的吸收，從而提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。 三、 使用鈦絲作為工作電極制備了柔性纖維染料敏化太陽電池(FF-DSSC)，以期為各種柔性器件提供能量。通過陽極氧化法和水熱法，在鈦絲上先后制備了TiO2納米管和TiO2納米棒及其分級結(jié)構(gòu)，并將它們應用在FF-DSSC中。通過采用6根鈦絲組成的多工作電極構(gòu)型，得到了最高9.1%的光電轉(zhuǎn)換效率。在此過程中，提出了比現(xiàn)有方法更為合理的柔性電池轉(zhuǎn)換效率計算方法。 四、使用氧化鋅 (ZnO) 分級納米結(jié)構(gòu)作為工作電極，提高了硫化鎘(CdS)量子點敏化太陽電池(QDSSC)的性能。 五、在制備用作DSSC工作電極的TiO2納米管陣列時，發(fā)現(xiàn)TiO2納米管的邊界處可以形成TiO2納米針尖。從這些納米針尖陣列上獲得了場發(fā)射，為發(fā)展基于納米材料的冷電子源提供了新穎的思路。 在本項目支持下共發(fā)表SCIE論文17篇，其中1篇影響因子大于10， 另有7篇影響因子大于3。

染料敏化太陽電池具有制備簡單、成本低和污染小等顯著優(yōu)點，有望應用于很多領域。寬禁代半導體材料在其中起到兩個至關(guān)重要的作用：染料分子的載體和光激發(fā)電子的傳輸通道。.本申請擬從金屬氧化物半導體納米材料入手提高染料電池的光電轉(zhuǎn)換效率。首先，將制備滿足特定要求的TiO2納米管陣列并用其制成前方照明型染料電池。這些要求包括：高度有序、兩端開口、自支撐、結(jié)晶良好和10微米至100微米量級的長度等。其次，在透明導電基底上制備有序且間距小至納米量級的TiO2、ZnO和WOx納米柱陣列，以保證染料分子和施主分子相距足夠近，從而在染料電池中得以實現(xiàn)福斯特能量共振轉(zhuǎn)移，通過從施主分子至染料分子的無輻射能量傳遞提高染料電池對太陽光譜中的紅光和近紅外波段的吸收利用。

陣列處理已經(jīng)在無線通信和雷達等領域得到了廣泛應用，經(jīng)典處理方法基于線性信號空間，采用二階矩為測度描述信號的線性結(jié)構(gòu)。然而信號的快速時變以及復雜干擾的存在使得信號的線性結(jié)構(gòu)難以保持。整體微分幾何中的纖維叢理論提供了空間分析的靈活性，反映了流形空間大范圍的不變量，并推動了物理學中規(guī)范場論的發(fā)展。因此，課題將傳統(tǒng)的線性信號空間拓展到流形信號空間，利用纖維叢理論解決時變陣列信號處理中的若干問題，研究內(nèi)容包括：1）研究信號局部空間的建立問題，分別采用三種方法構(gòu)造信號的局部標架，提煉廣義的局部子空間分析方法；2）應用纖維叢技術(shù)結(jié)合隨機微分方程，在線性空間中將信號流形展開，建立一種廣義的濾波方法以滿足時變信號跟蹤和處理的要求；3）進一步將纖維叢技術(shù)應用于信號幀間的累積處理，基于時變信號的跟蹤提出一種新的檢測方法。課題研究將為無線通信、傳感器網(wǎng)絡以及雷達等陣列信號處理的應用提供新的理論工具和技術(shù)途徑。