发展低成本、新型太阳能电池关键材料与高性能器件是大规模发展太阳能电池，解决未来社会能源问题的关键，也是这一领域研究的热点和难点之一。在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室的研究人员近期在设计和构筑基于三维导电网络与组装结构的高效量子点敏化太阳能电池材料，以及低成本薄膜太阳能电池材料的研究方面取得了新的进展。
设计制备出由ITO纳米线芯层与Cu2S纳米晶壳层组装而成的ITO@Cu2S纳米线阵列，使用这种具有三维导电网络结构的材料制备的量子点敏化太阳能电池表现出优于传统材料的优异性能(Nano Lett., 2014, 14, 365)；通过优选Cu2S纳米晶壳层的构筑方法，深入研究其组装结构中ITO纳米线芯层与Cu2S纳米晶壳层间界面对电池性能的影响，进一步提高了电池的转换效率(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 15448)；在此基础上，通过网络化多级组装设计，在ITO@Cu2S纳米线阵列结构基础上进行了二级和三级结构的组装，进一步使利用这种对电极材料的量子点敏化太阳能电池的转换效率提升至6%以上。这种新型对电极材料在电池运行时可有效形成隧道结，通过降低器件的串联电阻，提高并联电阻以及填充因子而大大提高了电池的转换效率，而且解决了传统金属铜/硫化亚铜易脱落、无法稳定工作的难题(Nano Lett., 2015, 15, 3088)。
探索低成本薄膜太阳能电池材料是未来规模化利用太阳能发电的必由之路。FeS2作为组成元素无毒、储量十分丰富的一种材料，具有合适的禁带宽度、光吸收系数、足够的载流子扩散长度，因此是一种理想的低成本环境友好型薄膜太阳能电池材料之一。其最终应用的关键之一在于发展低成本的合成方法，制备在空气中稳定的纯立方相FeS2材料。最近，纳米实验室研究人员成功发展了一种基于溶液相定向聚集途径制备空气中稳定的、纯立方相FeS2微、纳米材料的方法。研究发现通过溶剂诱导可以可控地制备出类球形FeS2纳米晶、FeS2纳米立方体，以及由FeS2纳米晶组装的微米球等材料。利用球差矫正电镜等技术清晰地表征了FeS2初始纳米晶粒定向聚集的生长过程。拉曼光谱的系统研究表明通过选择合适的溶剂可以获得暴露在空气中稳定至少1年以上的多种形貌FeS2材料，为进一步研究基于FeS2材料的低成本薄膜太阳能电池奠定了基础(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2211)。
图1 ITO@Cu2S纳米线阵列作为高效量子点敏化太阳能电池对电极材料示意图
图2 溶剂诱导定向聚集生长不同形貌FeS2微纳米材料示意图
