纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究.pdf

项目名称：纳米结构材料在先进能源器件应用中的
表界面问题研究
首席科学家：
起止年限：
依托部门：

一、关键科学问题与研究容

拟解决的关键科学问题

（1）表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系与调控原理。
（2）能量转换存储器件中纳米结构材料的可控制备。
（3）光电转换储能器件制备和使用过程中的原位、实时表征原理与方法。
（4）影响储能纳米结构动力学稳定性的关键因素。
（5）光伏器件中表界面能级的匹配与界面电荷分离性能的优化。
围绕以上关键科学问题，“纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问
题研究”以纳米结构材料在能源器件应用过程中的表界面为切入点，研究高性能
能源器件的共性问题。研究容包括三个密切相关的部分，首先，结合理论计算，
通过设计并可控制备纳米功能材料，采用化学修饰、纳微复合结构等手段得到高
效稳定的纳米结构材料。其次，采用先进的纳米材料表征和测试技术，原位表征
先进能源器件中纳米材料表界面的结构与性能，研究载流子在表界面上的输运、
存储和反应特性，阐明影响纳米材料稳定性的关键因素，由此解决纳米结构材料

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三，通过对纳米材料在先进能源器件应用中表界面问题的研究，实现高光电转化
效率量子点光伏器件和高能量密度锂电池。项目的研究重点为：

（1）表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系与调控原理
先进能源器件的高性能主要源于其对纳米结构材料的使用，随着材料维度的
降低和特征尺度的减小，纳米结构的量子效应、尺寸效应、表界面效应等一系列
物理效应变得显著，它们是提高能源器件性能的关键所在。我们将结合纳米结构
材料本身的结构与特性，通过实验和理论研究相结合，研究纳米结构材料中的物
理、化学变化规律，特别是表界面结构在能源器件工作过程中的动态变化，探索
器件光电转换与能量存储的微观过程与机制。在深入分析和模拟实验现象的基础
上，提出表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系，并在此基础上根据能源
器件工作原理提出调控和优化器件性能的原理。针对典型光电能源纳米结构材
料，主要采用量子力学第一性原理计算方法，结合非平衡格林函数技术，研究原
子分子层次的纳米结构材料的物理、化学性质，以与光电转换过程的微观物理化
学机制、输运性质；针对能量存储纳米结构材料，主要采用完全的量子分子动力
学方法，研究电极材料的电子结构和表界面微纳结构，在此基础上研究锂离子脱
嵌动态过程和机理与表界面上的离子扩散过程。最后，结合分子动力学和模型势
等方法，模拟宏观层次的器件特性。

（2）能量转换储能材料的设计和可控制备
在深入了解先进能源器件的工作原理和对功能纳米材料的结构特性、电子特
性、光电特性以与表界面特性深入研究基础上，重点对几类典型能量转换和储能

纳米材料进行研究，包括TiO，ZnO等半导体功能纳米材料，碳纳米管、石墨烯、
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富勒烯、石墨炔等全碳纳米材料，CdS、CdSe等量子点材料等。这些材料广泛应
用于多种能源器件中，对于它们的研究具有特别重要的意义。研究中采用理论和
实验相结合的策略，一方面利用量子力学第一性原理计算与分子动力学方法研究
这些功能纳米结构材料的结构、电子和光学特性，探讨其尺寸效应和量子效应对
其性能的影响，研究模拟其生长动力学；另一方面在实验中总结其生长规律，找
出纳米结构影响材料性能和生长过程的关键因素，并在此基础上提出结构和性质
的改进方案。通过理论和实验相结合设计新型的纳米结构基元。

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3）能源器件中纳米材料表界面的原位、实时表征原理与方法
能源器件中引入功能纳米材料主要是由于纳米材料的小尺寸、大比表面积以
与由此带来的量子效应和纳米效应。研究表明，纳米材料在表界面处的结构、特
性以与动态变化是决定纳米能源器件性能的根本，所以我们在研究中以能源器件
纳米材料表界面为切入点，发展多种表界面原位、实时表征原理和方法。包括建

立电化学原位扫描探针（AFM、STM）方法，在纳米尺度上研究光、电化学能量储
存和转换体系的表、界面形貌和结构，结合探针辅助的电化学阻抗测量技术原位
研究能量储存和转换中的传质、传荷和催化过程；发展和建立新型扫描电化学显

微术（SECM）光纤电极，原位构建量子点光伏体系，研究半导体电极与氧化还原
电对的电荷复合与其影响因素；发展基于等离子增强电化学原位拉曼光谱方法，

建立基于核壳纳米粒子增强拉曼光谱（SHINERS）和微电极－针尖增强拉曼谱
（SECM-TERS）技术，原位研究染料分子等离子激元增强光吸收效率与半导体－
染料分子界面的相互作用；发展原位XRD与吸收谱技术，研究能量转换与储存过
程中电子结构与晶体结构演变规律；发展球差校正高分辨透射电镜技术，实现对
于纳米材料表界面的原子级结构分辨。

（4）探索影响储能纳米结构动力学稳定性的关键因素