染料敏化太阳电池(DSC)中有机小分子准固态电解质的应用及稳定性研究

近年来，国家对于太阳能的需求促使具有很大产业化应用前景的低价、高效的染料敏化太阳电池（DSC）成为研究热点。但DSC中传统液体电解质的使用给DSC的密封技术和长期稳定性带来挑战。本课题旨在利用某些有机小分子化合物在液体电解质中的自组装形成三维网络结构的特性，来固化液体电解质。建立与DSC中纳米TiO2多孔薄膜光阳极、染料和反电极良好匹配性能的新型有机小分子准固态电解质体系。明确此类准固态电解质的电荷传输机理及准固态电池内部电解质/TiO2多孔薄膜/染料界面电荷传输机理；明确此类准固态电解质对DSC光伏性能及稳定性的影响规律，优化电池性能，进一步提高DSC的稳定性，获得高效稳定的新型准固态DSC，促进染料敏化太阳电池技术的进步和应用。

高光电转换效率和长期稳定性是任何光伏技术应用的先决条件并决定其应用范围。基于传统液态电解质DSC的效率已经突破12%，但使用有机溶剂的液态电解质一直给DSC的密封技术和长期稳定性带来困扰。针对上述问题，本项目研究从准固态电解质可以改善DSC的长期稳定性出发，合成了一系列具有规律性结构的酰胺类衍生物，并将其作为有机小分子胶凝剂制备凝胶电解质并引入至DSC中，从胶凝剂的合成、凝胶电解质的制备、胶凝剂的自组装方式及其对凝胶微观结构、DSC内部微观电子传输、复合动力学过程和DSC稳定性的影响机制等几个方面开展系统化的研究。.本课题利用差示扫描量热仪来测量凝胶电解质的相转变温度（Tgel）来考察其本征热稳定性；利用偏光显微镜（POM）、扫描电镜（SEM）和红外光谱（FTIR）研究小分子胶凝剂的自组装方式及凝胶的微观网络结构；结合循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）、调制光电流/光电压谱（IMVS/IMPS）、瞬态吸收光谱（TAAP）等测试方法，首次系统性地研究了凝胶电解质的微观结构对DSC内部电子传输、复合电子动力学过程的影响机制。并且我们对电池的光、热稳定性做了详细研究。.研究结果表明，所制备的凝胶电解质均表现出良好的本征稳定性，在获得较高的光电转换效率的同时，可有效提高DSC的长期稳定性。同时，本项目深入研究了胶凝剂分子结构、自组装方式及凝胶电解质微观形貌之间的关系，并首次阐明了胶凝剂分子结构对准固态DSC内部界面电子传输和复合动力学过程以及器件的光伏性能和长期稳定性的影响机制。即，酰胺类小分子胶凝剂分子结构中，两酰胺基团间亚甲基数目（n）为奇数时，胶凝剂分子通过平行自组装方式，使凝胶电解质呈现网状微观三维结构；而当n为偶数时，胶凝剂分子通过反平行自组装方式，使得凝胶电解质呈现带状微观三维结构。相对于带状微观形貌的凝胶电解质，具有网状微观形貌的凝胶电解质更有利于电荷的传输，且对应准固态电池的电子复合寿命更长，电子收集效率和注入效率更高，并且电子复合速率更慢，具有较高的光电转换效率。在此基础上，选取n为5的酰胺类小分子胶凝剂，并优化电池材料和结构，获得了目前基于有机小分子胶凝剂的准固态DSC器件的最高光电转换效率（9.61%）。此项研究提出了从分子水平设计凝胶网络结构以提高电池光伏性能和稳定性的新思路，该项目的研究成果对促进DSC的实用化有重要意义。