沸石咪唑酯骨架材料改善染料敏化太阳能电池开路电压的研究

The relatively low open circuit photovoltage of dye-sensitized solar cells (DSSCs) restricts their further progress in effectiveness. Therefore, it has becoming an important topic to enhance this photovoltaic parameter. The surface treatment on photoanodes can greatly increase the open circuit photovoltage. Zeolitic imidazolate frameworks as a novel hybrid inorganic-organic material, can be used to realize this goal. However, the fundamental mechanism is still unkown. How it influence the driving force for electron injection, the electron diffuse length, the electron lifetimes, the band structure of photoanodes, the electron density and so on? Based on previous work, this application is devoted to perform a systemic research on the mechanism for zeolitic imidazolate frameworks induced enhanced open circuit photovoltage of DSSCs to solve these questions. The fundamental mechanisms can be solved by applying electrochemical impedance spectra, intensity modulated photovoltage/photocurrent spectroscopy and so on. We wish this project can give rise to interesting and useful results to academic communities involved in the dye-sensitized solar cell research, and a novel approach is established to improve the photovoltaic property of DSSCs by the utilization of zeolitic imidazolate frameworks.

较低的开路电压限制了染料敏化太阳能电池（DSSCs）性能的进一步增强。如何改善DSSCs的开路电压，是一个重要的研究课题。对光阳极进行表面处理，可以提高DSSCs的开路电压。沸石咪唑酯骨架（ZIFs）材料是一种新型的用于光阳极表面处理的无机有机杂化材料，可以显著增强DSSCs的开路电压，但其改善开路电压的机理还缺乏系统的研究。ZIFs的存在对光电子注入的阻力大小、电子的扩散长度、电子寿命、光阳极的能带结构、电荷传输与复合等微观参数的影响还缺乏详尽的阐述。本申请将在前期工作的基础上，对ZIFs材料改善DSSCs开路电压的机理开展系统的研究，通过电化学阻抗谱、强度调制光电流谱、强度调制光电压谱等表征手段及相应的理论模型来揭示ZIFs材料的表面处理对激发电子收集效率、光阳极能带结构、电子寿命、电子传输动力学等因素的影响，阐明其中的关键性机理问题，为提高DSSCs的开路电压提供一种新的思路。

该项目致力于研究金属有机框架(MOF)材料在染料敏化太阳能电池中的应用，主要开展了以下几个方面的工作：（1）研究了MOFs在染料敏化太阳能电池电池界面调控中的有效工作方式及机理。利用ZIF-8对TiO2光阳极进行了后处理，实现了光生电子的有效注入与光电流的产生，同时抑制了电子空穴复合，提高了电池的开路电压，使得电池的光电转换效率显著提高了14.4%。（2）以MOFs为前驱体，制备了适合于染料敏化太阳能电池的高效光阳极、对电极和光散射层。以MOF-5为前驱体制备的平行六面体形貌的分等级结构ZnO能显著的散射入射光，使器件的效率提高16.5%；利用金属有机框架材料MIL-125(Ti)作为前驱体，制备了比表面积达147 m2 g-1的分等级结构TiO2，并得到了7.2%的光电转换效率；以ZIF-8为前驱体，制备了可用作DSSCs对电极的碳材料，其催化性能与Pt对电极相当。（3）制备了适合于染料敏化太阳能电池的高效光阳极和低成本对电极。通过水热一步法，在ITO导电基底上制备了具有镜面效果的NiS对电极，可用作低成本的对电极；通过一步水热法制备了SnO2覆盖的TiO2中空球，可用作染料敏化太阳能电池的高性能散射层，使得相应器件的效率提高了28.4%，达到了8.33%。这些研究促进了高效光阳极和对电极的制备，为获得更高性能的光伏器件提供了有益的借鉴，为下一步的研究工作奠定基础。