近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所王命泰研究员团队在二氧化钛纳米棒阵列的生长机理、数量密度调控及其新型太阳电池构筑原理方面取得重要进展。相关研究成果以“Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells”为题发表在Small Methods上，相关技术已获国家发明专利授权1项及受理1项。
单晶二氧化钛纳米棒阵列(TiO2-NA)在光催化、光探测及新能源领域有着广泛应用，而纳米棒的直径、长度及数量密度对其光电性能有重要的影响。研究团队突破传统纳米结构调控方法的局限性，通过建立“宏观工艺调控-微观结构演化-器件性能优化”的完整知识体系，揭示并解决了TiO2-NA的成核和取向生长机理、纳米棒数量密度(ND)的精准调控技术原理以及ND调控的TiO2-NA基太阳电池中最大光电流产生的必要条件等基础问题。重要的发现如下：
(1)通过调控前驱体薄膜的水解时间(tH)，实现了锐钛矿TiO2薄膜中纳米颗粒的可控生长；提出凝胶链限制结晶(GCLC)生长模型，其中，较长tH产生的较长凝胶链有利于较小纳米颗粒的生成。该GCLC生长模型有望用于调控金属氧化物薄膜的形貌及光电特性。
(2)为了在多晶锐钛矿TiO2薄膜上生长金红石单晶TiO2-NA，提出了取向-竞争-外延(OCE)成核/生长模型。首先，在水热过程初始阶段，发现锐钛矿TiO2薄膜表面发生了原位锐钛矿到金红石(A-to-R)相变，使得锐钛矿TiO2纳米颗粒转变成金红石TiO2纳米颗粒，为后续金红石TiO2纳米棒的生长提供了成核种子。其次，发现[101]取向的金红石TiO2纳米颗粒在单晶纳米棒的生长中最具竞争力，进而促进[101]取向的金红石单晶TiO2纳米棒沿[001]方向的面外生长；周围竞争性较弱和取向不利的金红石TiO2纳米颗粒和锐钛矿型TiO2纳米颗粒处的晶体成核及生长会被合并、抑制或禁止，从而产生纳米棒之间的空隙。该OCE成核/生长模型可为多晶体表面的单晶生长提供指导。
(3)由于较大的锐钛矿TiO2纳米颗粒易发生原位A-to-R相变，TiO2-NA中ND可以通过tH得到有效调控。研究人员通过调控tH，结合一定的水热反应条件，在不改变直径和长度的情况下，实现了对TiO2-NA中的ND进行有效调控。进一步将ND调控的TiO2-NA用于构筑CuInS2太阳电池，提出了体积-面积-密度(VSD)多参数耦合模型，定量揭示了ND与光电流产生相关性的物理原理，首次在低温条件制备了效率大于10%的CuInS2太阳电池，并创造了新的CuInS2太阳电池光电转换效率记录(10.44%)。该VSD多参数耦合模型为设计体型异质结结构光电器件提供了理论基础。
固体所博士生曹文博、博士后董超为该论文共同第一作者，固体所王命泰研究员、陈冲研究员为该论文共同通讯作者。该工作主要得到了国家自然科学基金和中国科学院合肥物质院院长基金等项目的资助。
图. 二氧化钛纳米棒阵列制备技术、生长原理及电池结构与载流子产生模型示意图。
