多级有序半导体金属氧化物薄膜的设计合成及其在染料敏化太阳能电池上的应用研究

This application aims at developing advanced photo-anode materials, which will start from the design of meso-structure and compositon of the materials, in accordance with the principle of improving the dye absorption and electron transport of the dye-sensitized solar cells (DSSCs). Semiconductor metal oxides (including TiO2, ZnO, etc.) films with hierarchically ordered macro-mesopores will be synthesized controllably by combining the hard template method and the soft template method, using photonic crystals as the hard template and surfactants as the soft template . The effect of stucture regulation of metal oxide on their photoelectric conversion properties will be studied. We will try to increase the specific surface areas of the films by constructing ordered mesoporous structure, shorten absorption time by building ordered macroporous structure with enhanced mass-trasporting properties. The highly ordered 3D structure of the materials is in favour of electron transport, which will also make the incident light scattering repeatedly within the film. We plan to incorporate the nano-carbon materials (such as carbon nanotube, graphene and graphdiyne) into the films for further increasing of the electronic transport rate, and prepare the composite films with P25. We attempt to investigate the relationship of structure and photoelectric conversion properties via a systematic study of the photoelectric conversion properties of the hierarchical porous metal oxide materials, and give the corresponding feedback to the designment and amendment of hierarchical porous materials. The technique of preparing photo-anode materials with high-performance will finally realized through the implementation of the project, which will provide basis for fabrication and benefit development of DSSCs.

本项目以高效光阳极材料的开发为切入点，从有利于提高染料敏化太阳能电池（DSSCs）染料吸附和电子传输的原则出发，进行材料介观结构和组成的设计，通过将光子晶体硬模板法和表面活性剂软模板法有机结合，实现多级有序宏孔-介孔半导体金属氧化物（TiO2、ZnO等）薄膜的可控合成，研究结构调控对光电转换性能的增强作用，实现高效光阳极材料的创制。构筑有序介孔结构保证其高比表面积；宏孔孔道有利于物质的快速传输，实现染料在介孔上的充分吸附；整体高度有序的三维结构有利于电子传输，并可使入射光在薄膜内反复散射，提高对光的利用率；掺杂的纳米碳材料（碳纳米管、石墨烯、石墨炔）可进一步提高电子传输速率。同时还将制备多级有序孔薄膜与P25薄膜复合的光阳极材料。系统研究材料的光电转换性能，探明结构与性质的构效关系，并反馈研究结果对结构设计进行修正，获得高效光阳极材料的合成规律，为高性能DSSCs的开发利用奠定基础。

能源问题是人类发展的核心问题，染料敏化太阳能电池因制作工艺简单、成本低廉以及较高的转换效率受到了广泛关注。光阳极是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，在很大程度上决定了电池的光电转换效率。.本项目立足于具有多级孔道结构的光阳极材料的设计优化与可控合成，在保证材料具有足够活性表面能够大量吸附染料的同时，通过介观结构的设计增强光散射，提高光的捕获利用效率，构筑物质与电子传输的良好通道，并通过引入石墨烯进一步加快电子传输，抑制光生电子与空穴的复合，最终实现了光电转化效率的增强。主要设计合成了两种具有独特介观结构的光阳极薄膜：多级有序的宏孔/介孔结构和具有网状骨架的多级孔结构，明确了介观结构对光电转换效率的增强作用，特别是多级孔道结构与染料吸附和光散射的关系，为高性能光阳极材料的创制提供了重要依据，开辟了通过介观结构设计提高太阳能电池光电转换效率的新途径。主要成果如下：.（1）多级有序的宏孔/介孔TiO2薄膜的设计合成及性能研究.以反蛋白石结构排列的聚苯乙烯球为硬模板形成有序的宏孔，以P123表面活性剂为软模板在孔壁上形成规则的介孔，成功合成了多级有序的宏孔/介孔TiO2薄膜。在此基础上刮涂致密的P25层，层层组装获得了四层复合结构的TiO2薄膜光阳极。多级有序结构有利于入射光在光阳极内的反复散射，提高了光的捕获效率，电池的短路电流和光电转换效率均显著提高。通过控制宏孔孔径为195nm，光阳极的光电转化效率最高达9.2%，相比传统的P25光阳极提高了40%。进一步在光阳极中引入石墨烯，不仅加快了电子的传输，而且有利于抑制电子与空穴的复合，因而电子寿命延长，光电转化效率提高。.（2）具有网状骨架结构的多级孔TiO2薄膜的设计合成及性能研究.通过在Ti的前驱体溶胶中加入光敏性单体和高分子，采用紫外光诱导聚合法合成了具有网状骨架结构的多级孔TiO2薄膜。薄膜由25nm的TiO2纳米粒子组成，具有4nm的粒间孔，而纳米粒子组成的三维网状骨架则形成了0.2-1.5µm的宏孔。系统考察了溶剂比、酸性抑制剂、有机单体、高分子用量等对薄膜介观结构的影响规律。以P25为染料吸附层，网状多孔薄膜为光散射层，组成双层结构的光阳极，网状骨架的多级孔结构有利于提高入射光在光阳极中的散射，增强了对光的捕获效率，光电转换效率最高达到了6.95%，比同样厚度的P25光阳极提高了12.6%。