單晶二氧化鈦納米棒陣列(TiO2-NA)在光催化、光探測及新能源領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，而納米棒的直徑、長度及數(shù)量密度對其光電性能有重要的影響。研究團隊突破傳統(tǒng)納米結(jié)構(gòu)調(diào)控方法的局限性，通過建立“宏觀工藝調(diào)控-微觀結(jié)構(gòu)演化-器件性能優(yōu)化”的完整知識體系，揭示并解決了TiO2-NA的成核和取向生長機理、納米棒數(shù)量密度(ND)的精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)原理以及ND調(diào)控的TiO2-NA基太陽電池中最大光電流產(chǎn)生的必要條件等基礎(chǔ)問題。重要的發(fā)現(xiàn)如下：
 

　　(1)通過調(diào)控前驅(qū)體薄膜的水解時間(tH)，實現(xiàn)了銳鈦礦TiO2薄膜中納米顆粒的可控生長；提出凝膠鏈限制結(jié)晶(GCLC)生長模型，其中，較長tH產(chǎn)生的較長凝膠鏈有利于較小納米顆粒的生成。該GCLC生長模型有望用于調(diào)控金屬氧化物薄膜的形貌及光電特性。
 

　　(2)為了在多晶銳鈦礦TiO2薄膜上生長金紅石單晶TiO2-NA，提出了取向-競爭-外延(OCE)成核/生長模型。首先，在水熱過程初始階段，發(fā)現(xiàn)銳鈦礦TiO2薄膜表面發(fā)生了原位銳鈦礦到金紅石(A-to-R)相變，使得銳鈦礦TiO2納米顆粒轉(zhuǎn)變成金紅石TiO2納米顆粒，為后續(xù)金紅石TiO2納米棒的生長提供了成核種子。其次，發(fā)現(xiàn)[101]取向的金紅石TiO2納米顆粒在單晶納米棒的生長中最具競爭力，進而促進[101]取向的金紅石單晶TiO2納米棒沿[001]方向的面外生長；周圍競爭性較弱和取向不利的金紅石TiO2納米顆粒和銳鈦礦型TiO2納米顆粒處的晶體成核及生長會被合并、抑制或禁止，從而產(chǎn)生納米棒之間的空隙。該OCE成核/生長模型可為多晶體表面的單晶生長提供指導(dǎo)。
 

　　(3)由于較大的銳鈦礦TiO2納米顆粒易發(fā)生原位A-to-R相變，TiO2-NA中ND可以通過tH得到有效調(diào)控。研究人員通過調(diào)控tH，結(jié)合一定的水熱反應(yīng)條件，在不改變直徑和長度的情況下，實現(xiàn)了對TiO2-NA中的ND進行有效調(diào)控。進一步將ND調(diào)控的TiO2-NA用于構(gòu)筑CuInS2太陽電池，提出了體積-面積-密度(VSD)多參數(shù)耦合模型，定量揭示了ND與光電流產(chǎn)生相關(guān)性的物理原理，首次在低溫條件制備了效率大于10%的CuInS2太陽電池，并創(chuàng)造了新的CuInS2太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率記錄(10.44%)。該VSD多參數(shù)耦合模型為設(shè)計體型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)光電器件提供了理論基礎(chǔ)。
 

　　固體所博士生曹文博、博士后董超為該論文共同第一作者，固體所王命泰研究員、陳沖研究員為該論文共同通訊作者。該工作主要得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院院長基金等項目的資助。
 

圖. 二氧化鈦納米棒陣列制備技術(shù)、生長原理及電池結(jié)構(gòu)與載流子產(chǎn)生模型示意圖。