Boosting solar energy harvesting with ordered nanostructures fabricated by anodic aluminum oxide templates

Xu, Rui GND

To date, technical development has boosted the efficiencies of solar energy conversion devices with conventional planar architectures to be close to the respective theoretical values, which are hard to be further improved without reforming the device structures. Alternatively, ordered nanostructure arrays have recently emerged as efficacious scaffolds to construct devices for converting energy more efficiently due to their advantageous optical effects. To meet the global energy requirements for producing renewable energy efficiently, a general approach is needed to fabricate diverse ordered nanostructure arrays. In the meantime, the approach should allow for fine tuning in every set of nanounits towards obtaining desired properties. Herein, we utilized anodic aluminum oxide (AAO) templates to provide a versatile method for constructing ordered nanostructure arrays from one to two dimensions. Firstly, arrays of one-dimensional Au nanowires comprising two components of pillar and truncated pyramid were fabricated. Then, periodic one-dimensional Janus hetero-nanostructures with programmable morphologies, compositions, dimensions, and interfacial junctions were realized. Finally, two-dimensional superlattice photonic crystals with two sets of nanopores were constructed via a combination of the AAO template and the structural replication technique. Subsequently, these as-obtained nanostructures were integrated into photoelectrochemical water-splitting cells and solar-to-thermal conversion systems, which significantly boosted solar energy harvesting performance. In conjunction with theoretical simulations, we further elucidated that the enhanced light harvesting ability can be ascribed to twofold facts: photonic effects and surface plasmon resonance which thus provide a route to manipulate light at the nanoscale.

In dieser Dissertation habe ich drei Arten von hochgeordneten Nanostrukturen realisiert, einschließlich 1D-PTP-Au-Core / CdS-Shell-Array, Au-NW / TiO2-NT-Janus-Hetero-Nanostruktur-Array und 2D-Metall-SPhCs. Diese fortschrittlichen Architekturen könnten als vielseitige Gerüste zum Aufbau energiebezogener Geräte eingesetzt werden und haben ein großes Potenzial, die Gesamtleistung drastisch zu verbessern und die durch die planare Konfiguration auferlegten Grenzen zu durchbrechen. Insbesondere die geordneten Nanostruktur-Arrays mit mehreren Komponenten sind von großer Bedeutung, und die entsprechenden Geräte können die Vorteile dieser nanostrukturierten Komponenten kombinieren, wodurch die relevante Leistung systematisch verbessert wird. Darüber hinaus ermöglichen die hohe Regelmäßigkeit der Nanostrukturverteilung, die Gleichmäßigkeit der Nanounits sowie die steuerbaren Größen und Profile der Nanostruktur die resultierenden Architekturen als leistungsfähige Plattform, um die spezifischen Energieumwandlungsreaktionen mikroskopisch zu untersuchen. Diese Ergebnisse könnten wiederum die weitere Entwicklung der relevanten Geräte leiten.

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Xu, Rui: Boosting solar energy harvesting with ordered nanostructures fabricated by anodic aluminum oxide templates. Ilmenau 2020.

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