原位构筑超快载流子传输特性的Si/TiO2异质结构及其光阳极性能研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21703027
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0205.电化学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Solar water splitting provides a potential solution to the pending global energy and environmental crisis. Si is a promising material for photoelectrode in a photoelectrochemical system because of its several advantages such as high purity, large single crystals, effective conductivity, optimal for solar spectrum and natural abundance. However, it is not suitable to use as photoelectrode directly due to its self-passivation and corrosive reactions in electrolyte. Therefore, one method is to introduce a heterogeneous coating on Si surface to improve its efficiency and stability. Recently, Si/TiO2 photoelectrodes draws our attention back due to the innovation of transparent conductive TiO2 coatings, which is essentially independent of TiO2 thickness. However, the carriers transfer efficiency is still low due to the recombination at the interface of Si/TiO2 heterogeneous and quantum-tunneling effect induced by insulating SiO2 layer. This proposal aims at in-situ fabricating Si/TiO2 heterogeneous interface by constructing TiO2 nanoepitaxial growth on Si substrate. The Si and TiO2 are connected by chemical bonds. The removed SiO2 and nearly defect-free interfaces can cause carriers ultrafast transferring through the heterogeneous interface, which can solve the problems of the carrier recombination and quantum-tunneling effect. Firstly, a dense TiO2 layer is constructed on Si substrate by investigating the intrinsic properties of Si surface and nanoepitaxial growth conditions. Secondly, the dynamic process of the carriers transferring through the heterogeneous interface is demonstrated by studying the relationship between the interfacial properties and carriers transfer process. Finally, catalysts will be deposited on Si/TiO2 to fabricate photoanode. The essential relationship of interfacial properties-carriers transfer process-electrode properties needs to be studied in order to fabricate an efficient and stable photoanode. Through these investigations, our target is to provide experimental and theoretical foundations for developing highly efficient photoanode materials of solar water splitting.
光解水有望解决能源危机与环境恶化问题,具有重要的研究价值,然而目前效率较低。半导体Si是极富潜力的光解水电极材料,近年来由于在保护层的研究方面取得突破,使其再次受到广泛关注。但存在界面缺陷导致载流子复合及绝缘层SiO2导致量子隧穿的问题,严重影响Si电极效率。针对上述问题,本项目提出通过晶面诱导外延生长的方式、原位构筑Si/TiO2异质结构的解决方案,以化学键直接键合Si和TiO2保护层,既可避免绝缘层SiO2产生,又可降低界面缺陷密度,解决载流子界面复合及量子隧穿的问题。研究内容:1)研究Si表面的本征特性及晶面诱导生长条件,实现原位构筑致密的TiO2保护层;2)研究界面性质对载流子传输的影响,阐明载流子界面传输的动力学过程;3)构筑负载Ni催化剂电极,研究界面性质-载流子传输过程-电极性能之间的构效关系,制备出高效、稳定的光阳极。为开发高效的光解水电极材料提供一定的实验基础和理论依据。

结项摘要

光解水有望解决能源危机与环境恶化问题,具有重要的研究价值,然而目前效率较低。半导体Si是极富潜力的光解水电极材料,但使用Si为光解水材料时,存在界面缺陷导致载流子复合及绝缘层SiO2导致量子隧穿的问题,严重影响Si电极效率。针对上述问题,我们通过晶面诱导外延生长的方式、在单晶Si的表面,原位构筑Si/TiO2异质结构,以化学键直接键合Si和TiO2保护层。结果显示锐钛矿型TiO2的(004)晶面很好的延单晶硅的(001)表面定向生长,而晶格与晶型不匹配的金红石型TiO2无法进行异质界面生长,并易于剥离。采用外延生长方式制备的Ni/TiO2/Si光阳极,表现出良好的载流子传输能力和较高的载流子注入和分离效率。其光电流密度为31 mA/cm2,是Ni/TiO2/SiO2/Si光阳极的11倍。该光阳极可以在1 M KOH的溶液中稳定工作1500 min以上,说明该光阳极的性质比较稳定,异质界面生长的薄膜质量较好,可以保护硅基底。.Ni/TiO2/Si光阳极在工作时,需要对电极进行加1.0 V以上的偏电压,我们拟采用太阳能电池的方式进行加偏压。我们对钙钛矿太阳能电池进行了相关的研究工作。在Non-TiO2的电子传输层材料钙钛矿太阳能电池中,我们原位合成了一系列的SnS2、SnS2/SnS复合硫化物二维纳米材料,将其作为电子传输层材料制备钙钛矿太阳能电池,其效率可以超过18%。在HTL-free的碳基钙钛矿太阳能电池研究方面,我们研究了碳基对电极材料的开发和界面连接。与常规电池相比,HTL-free的碳基钙钛矿太阳能电池在稳定性方面有了大幅度的提高,课题组的碳基钙钛矿太阳能电池效率已达到16.41%,处于世界领先地位。.本项目共支持发表SCI论文18篇(1作及通讯),申请发明专利7项(3项授权)。获省级自然科学学术成果奖三等奖1次,市级自然科学学术成果一等奖2次,二等奖1次。培养研究生6人。

项目成果

期刊论文数量(18)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(7)
Intermediate-Controlled Interfacial Engineering for Stable and Highly Efficient Carbon-Based PSCs
稳定高效碳基 PSC 的中间控制界面工程
  • DOI:
    10.1021/acsami.0c11419
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    ACS Applied Materials & Interfaces
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Meng Fanning;Li Yang;Gao Liguo;Liu Anmin;Li Yanqiang;Wang Tonghua;Zhang Chu;Fan Meiqiang;Wei Guoying;Ma Tingli
  • 通讯作者:
    Ma Tingli
Several economical and eco-friendly bio-carbon electrodes for highly efficient perovskite solar cells
用于高效钙钛矿太阳能电池的几种经济环保的生物碳电极
  • DOI:
    10.1016/j.carbon.2020.02.049
  • 发表时间:
    2020-06-01
  • 期刊:
    CARBON
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Gao, Liguo;Zhou, Yi;Ma, Tingli
  • 通讯作者:
    Ma, Tingli
Ultra-low-cost coal-based carbon electrodes with seamless interfacial contact for effective sandwich-structured perovskite solar cells
具有无缝界面接触的超低成本煤基碳电极,用于有效的三明治结构钙钛矿太阳能电池
  • DOI:
    10.1016/j.carbon.2019.01.047
  • 发表时间:
    2019-04-01
  • 期刊:
    CARBON
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Meng, Fanning;Gao, Liguo;Ma, Tingli
  • 通讯作者:
    Ma, Tingli
Energy Band Regulation in 2D Perovskite Solar Cells
二维钙钛矿太阳能电池的能带调节
  • DOI:
    10.7536/pc191102
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
    PROGRESS IN CHEMISTRY
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Yi Zhou;Jingjing Hu;Caiyun Liu;Fanning Meng;Liguo Gao;Tingli Ma
  • 通讯作者:
    Tingli Ma
Comparison of Physical Isolation on Large Active Area Perovskite Solar Cells
大活性面积钙钛矿太阳能电池的物理隔离比较
  • DOI:
    10.1007/s40242-020-0060-z
  • 发表时间:
    2020-05
  • 期刊:
    CHEMICAL RESEARCH IN CHINESE UNIVERSITIES
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Liguo Gao;Yelin Yan;Yang Li;Tingli Ma
  • 通讯作者:
    Tingli Ma

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其他文献

2D钙钛矿太阳能电池的能带调控
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    2020
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  • 作者:
    周亿;胡晶晶;孟凡宁;刘彩云;高立国;马廷丽
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    马廷丽
界面修饰策略在钙钛矿太阳能电池中的应用
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  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    化学进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孟凡宁;刘彩云;高立国;马廷丽
  • 通讯作者:
    马廷丽
大面积钙钛矿太阳能电池
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    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    化学进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    闫业玲;曹俊媚;孟凡宁;王宁;高立国;马廷丽
  • 通讯作者:
    马廷丽

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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