金属氧化物有序纳米结构阵列在染料电池中的应用结题摘要

染料敏化太阳电池(DSSC)由工作电极及其上附着的染料分子、电解液和对电极组成。其中的工作电极发挥着至关重要的作用。它既是染料分子的载体，又是光生载流子的传输通道。本项目主要研究了通过改进工作电极提高DSSC性能的各种途径。所取得的主要成果包括以下几点. 一、用氯化钛(TiCl4)和异丙醇铌(Nb(OC3H7)5)处理了二氧化钛(TiO2)工作电极表面,使得TiO2表面同时覆盖有TiCl4和Nb2O5，既提高了短路电流，又提高了开路电压，从而得到了更高的转换效率。 二、用水热合成法制备了分级结构TiO2纳米棒和分级结构TiO2纳米颗粒,并将它们应用在DSSC的散射层中。这些分级结构具有很大的比表面积，增加了染料分子的吸附和入射光的吸收，从而提高了电池的短路电流和转换效率。 三、 使用钛丝作为工作电极制备了柔性纤维染料敏化太阳电池(FF-DSSC)，以期为各种柔性器件提供能量。通过阳极氧化法和水热法，在钛丝上先后制备了TiO2纳米管和TiO2纳米棒及其分级结构，并将它们应用在FF-DSSC中。通过采用6根钛丝组成的多工作电极构型，得到了最高9.1%的光电转换效率。在此过程中，提出了比现有方法更为合理的柔性电池转换效率计算方法。 四、使用氧化锌 (ZnO) 分级纳米结构作为工作电极，提高了硫化镉(CdS)量子点敏化太阳电池(QDSSC)的性能。 五、在制备用作DSSC工作电极的TiO2纳米管阵列时，发现TiO2纳米管的边界处可以形成TiO2纳米针尖。从这些纳米针尖阵列上获得了场发射，为发展基于纳米材料的冷电子源提供了新颖的思路。 在本项目支持下共发表SCIE论文17篇，其中1篇影响因子大于10， 另有7篇影响因子大于3。

染料敏化太阳电池具有制备简单、成本低和污染小等显著优点，有望应用于很多领域。宽禁代半导体材料在其中起到两个至关重要的作用：染料分子的载体和光激发电子的传输通道。.本申请拟从金属氧化物半导体纳米材料入手提高染料电池的光电转换效率。首先，将制备满足特定要求的TiO2纳米管阵列并用其制成前方照明型染料电池。这些要求包括：高度有序、两端开口、自支撑、结晶良好和10微米至100微米量级的长度等。其次，在透明导电基底上制备有序且间距小至纳米量级的TiO2、ZnO和WOx纳米柱阵列，以保证染料分子和施主分子相距足够近，从而在染料电池中得以实现福斯特能量共振转移，通过从施主分子至染料分子的无辐射能量传递提高染料电池对太阳光谱中的红光和近红外波段的吸收利用。

阵列处理已经在无线通信和雷达等领域得到了广泛应用，经典处理方法基于线性信号空间，采用二阶矩为测度描述信号的线性结构。然而信号的快速时变以及复杂干扰的存在使得信号的线性结构难以保持。整体微分几何中的纤维丛理论提供了空间分析的灵活性，反映了流形空间大范围的不变量，并推动了物理学中规范场论的发展。因此，课题将传统的线性信号空间拓展到流形信号空间，利用纤维丛理论解决时变阵列信号处理中的若干问题，研究内容包括：1）研究信号局部空间的建立问题，分别采用三种方法构造信号的局部标架，提炼广义的局部子空间分析方法；2）应用纤维丛技术结合随机微分方程，在线性空间中将信号流形展开，建立一种广义的滤波方法以满足时变信号跟踪和处理的要求；3）进一步将纤维丛技术应用于信号帧间的累积处理，基于时变信号的跟踪提出一种新的检测方法。课题研究将为无线通信、传感器网络以及雷达等阵列信号处理的应用提供新的理论工具和技术途径。