基于高结晶度双通二氧化钛纳米管的高效固态敏化太阳能电池研究

The structure and morphology of the photoanodes are critical for photoelectric properties of solid-state dye-sensitized solar cells (ss-DSSCs). TiO2 nanotube arrays fabricated by electrochemical anodization feature an ordered and self-organized configuration and thus have the potential application in DSSCs. This project aims at improving the key factors including crystallinity and morphology (surface and bottom morphologies) of nanotubes by convenient strategies, and applying them in ss-DSSCs, in order to solve the following problems: (1) Improvement of charge collection. The crystal structure of nanotubes has a significant effect on the electron states of the cells. Free-standing nanotube membranes could keep their structure integrity and crystal phase stability under high temperature crystallization, thus leading to full crystallinity and superior electron transport and collection. As a result thick photoanodes with large surface area could be used for enhanced dye adsorption and light harvesting. (2) Optimization of tube filling. By adjusting the anodization conditions, flat-surface and both-end-open nanotubes could be synthesized, resulting in effective filling of solid-state electrolyte in high-aspect-ratio nanotubes. The controlling of the intrinsic characteristics of oxide membranes of the photoanodes greatly influences the processes of electron generation, separation, transport and recombination and is essential to optimize the performance of ss-DSSCs.

固态染料敏化太阳能电池光阳极的结构和形貌对于其光电特性影响很大。采用阳极氧化方法制备的二氧化钛纳米管具有规则的自组装空间结构，在染料敏化电池中具有潜在的重要应用。本课题拟采用简单的方法优化纳米管的结晶度和形貌（表面、底面形貌）等关键因素，并应用于固态敏化电池中，解决以下一些问题：（1）改善电荷收集。纳米管的晶态结构会显著影响电池中的电子态，利用纳米管自由薄膜在高温退火时结构和晶态的稳定性，使其充分、完全结晶，有利于电子快速传输和收集，从而可以使用厚的、大表面积的光阳极，增加染料吸附和光捕获；以及（2）优化孔填充。通过改变阳极氧化条件，制备表面平整、双通（表面和底面开孔）的纳米管，在具有高纵横比的纳米管中实现固态电解质的有效填充。控制光阳极氧化物薄膜的内在特性，会显著影响电子的产生、分离、传输和复合等过程，对于固态敏化电池光电转化性能的优化至关重要。

固态敏化太阳能电池是新型太阳能电池器件领域的研究热点之一。通过改进太阳能电池光阳极的结构和形貌增加太阳能电池的光吸收，提高光电流收集，提升光电转化效率是一项新的探索，具有重要的科学意义和应用前景。课题组结合多年的新型太阳能电池的研究经验，以新型光阳极结构的设计及优化为主要研究对象，以揭示光阳极微观结构与太阳能电池宏观光伏性能的关系为主线，开展新型光阳极结构、光吸收增强结构、固态电子-空穴传输材料、新型钙钛矿结构材料敏化电池、复合型太阳能电池等方面的研究，取得了良好的进展。主要的研究成果包括采用电化学方法制备具有可调自组装二氧化钛纳米管空间结构及与普通光阳极的耦合；高散射、高结晶度纳米管粉末-纳米颗粒复合光阳极结构；高分散、不同晶态结构的二氧化钛纳米管粉末及其表面效应；封闭、单通、双通二氧化钛纳米管形貌的可控调节，优化固态电子-空穴传输材料的填充；氧空位、缺陷态对光学特性、光电特性的影响；固态敏化电池的制备、表征及应用；类二氧化钛氧化物纳米管粉末的电子性能和稳定性；低温转移纳米管光阳极以及和柔性基底的有效结合等。项目实现了新型固态太阳能电池材料的结构设计和可控制备，通过控制光阳极氧化物薄膜的内在性质改善电荷收集和优化孔填充，提高太阳能电池的效率和稳定性。本项目研究结果对于新型固态太阳能电池和其他光电子器件的开发以及固态太阳能电池的产业化生产具有重要作用。已在J Mater Chem C、Mater Design、New J Chem、J Electrochem Soc、Nanoscale Res Lett、Opt Mater Express、J Appl Phys、ECS J Solid State Sci and Technol、Nanotechnol Rev等刊物上发表被SCI收录的论文11篇（均标注受本项目资助），申请国家发明专利1项（公开号CN201510269513.7），培养硕士研究生2名，对比计划任务书，圆满完成本课题任务。