染料敏化太阳能电池的电子寿命分布及其对电子复合的实验表征

染料敏化太阳能电池具有低成本高效率的优势。但是，该电池的TiO2纳米晶表面电子复合机制仍存在较大争议，并成为提高电池光电转换效率的瓶颈。本项目提出了表面态电子寿命分布的概念，这一概念能够定量的表征不同能级表面态电子的电子寿命和复合速率。目前文献中广泛使用的表观电子寿命实际是本项目提出的电子寿命分布的统计平均值。此概念的提出在TiO2薄膜的表观电子寿命和微观电子复合机制之间建立了明确的联系。同时，依据理论导出的电子寿命分布计算公式，提出了电子寿命分布的新测量方法，此方法为染料敏化电池的电子复合的微观机制研究提供了新的光电化学表征手段。本项目力图应用这一方法建立TiO2纳米晶表面吸附有机分子和正离子对表面态电子寿命分布及表观电子寿命的影响机制，阐明表面态电子能级分布的变化与电子复合速率的关系，从微观层面掌握敏化电池的电子复合机理。

染料敏化电池的界面电子转移动力学是实现有效调控敏化电池电子复合的关键性问题。我们已经证实了通过实验测量获得敏化电池电子寿命分布的可行性，并发现基于钴配合物电解质的敏化电池在高Fermi能级下电子寿命分布与电子能级之间呈现指数关系。研究表明，电子寿命分布与电池的理想因子存在对应关系。通过导出理想因子的解析形式，我们发现这一参数主要受到导带位置和表面态电子浓度分布的调控。钴配合物氧化还原电对的单电子外球型电子转移特性使之成为研究敏化电池电子复合机制的理想模型。然而，钴配合物在敏化电池内的扩散受限现象会干扰电子复合速率的测量。为此，我们提出了用于模拟敏化电池扩散受限动力学的准线性模型。结果表明扩散受限的产生具有临界性质，通过调节扩散系数和二氧化钛薄膜厚度，敏化电池的扩散受限可以完全消除。我们研究了小分子吡啶衍生物对敏化电池理想因子的影响，发现添加剂对电子复合理想性的调节是通过改变导带位置和表面态能级分布实现的。此外，我们分别制备了乙烯基咪唑碘大分子梳状共聚物和吡啶衍生物改性聚乙二醇增塑剂作为固态聚合物电解质的电子复合抑制剂，发现二者均具备调控导带能级和降低电子复合速率的能力。