蘇州納米所陣列無機半導體納米結構研究獲系列進展

　　無機半導體納米結構電極在太陽能電池、光解水及能量存儲等器件中有著非常廣泛的應用。電極的比表面積以及電荷輸運能力是決定這些器件性能的關鍵因素。最近，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員封心建課題組在高性能無機半導體納米電極的研究中取得了系列新進展。

　　電極材料的微觀結構對其電學性能有著重要影響。傳統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散常數比在單晶塊體材料中低了6-8個數量級，嚴重影響了器件的性能。陣列一維納米結構電極為電荷傳輸提供了直接通道。前期工作中相關人員通過溶劑熱法成功的在透明導電玻璃上制備了單晶陣列一維TiO2納米線，并通過瞬態光電測試方法證明了該結構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)。通過將該陣列結構電極應用于鈣鈦礦固體太陽能電池中，實現了近12%的光電轉換效率（Chem. Comm. 2014, 50, 14720-14723. 內封面）。

　　陣列一維納米結構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，通過對電極的微觀結構進行合理調控，制備同時具有高比表面積和快速電荷傳輸性能的納米結構，是未來無機半導體納米電極材料發展的重要方向。最近，研究人員通過兩種調控微觀結構的方式制備了同時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納米線的基礎上制備了陣列三維分枝電極結構。分枝結構沿著一維主干外延生長，極大的減少了分枝與主干之間晶界和缺陷。該電極結構同陣列一維結構擁有相似的快速電子傳輸性能，而其比表面積卻比一維結構提高了71%，并帶來了52%的光電轉換率的提高。相關工作發表于Nano Lett. 2014, 14, 1848-1852，并受到廣泛關注，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構。通過對金屬離子的配位動力學過程進行調控，制備了具有大晶格的陣列單晶一維羥基氟化鋅納米材料。在此基礎上進行可控處理，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，和傳統納米顆粒薄膜相當；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構。相關工作發表于J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16772-16775。

　　上述研究工作受到國際同行的廣泛關注，應國際光學工程學會（SPIE）的邀請，撰寫了研究綜述The synthesis and assembly of 1D semiconductor for solar energy conversion，并發表在SPIE官方網站上。

　　該系列工作得到國家青年千人計劃、國家自然科學基金、中國科學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.)