共吸附剂结构对染料敏化太阳电池性能影响的研究

Coadsorbents can shift the conduction band edge to negative potentials, which will improve the photovoltage of solar cells. They can also passivate the surface between semiconductor and electrolyte, which will decrease the dark current of solar cells. To the best of our knowledge, there is no detailed research on the relationship between the structure and the properties of coadsorbants, which limited choosing coadsorbent to improve the performacne of the dye-sensitized solar cells. In this research proposal, the combination of computational investigation and experiment will be used. The electron density of coadsorbent molecular with straight or branched alkane as main chain, carboxyl or phosphonic acid as anchoring group will be shown, to investigate the effect of coadsorbents structure on the band edge of the semiconductor film. The adsorption behavior of coadsorbent at the surface of TiO2 film will be studied, as well as the interaction between coadsorbent and dye/TiO2. Finally, the effect of the different type of coadsorbent on the photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells will be revealed, which will provide theoretical evidence for choosing the coadsorbent to improve the performance of solar cells.

有机共吸附剂能使染料敏化太阳电池中半导体薄膜的能带产生负移，提高电池的开路电压；能有效的钝化半导体和电解液之间的界面，抑制暗电流的产生。但目前文献未对共吸附剂的结构及其性能之间的关系进行深入研究，限制了共吸附剂的选择和染料敏化太阳电池性能进一步的提高。本项目采用理论模拟和实验相结合的技术，通过模拟共吸附剂的电子分布特性，对以直链、支链烷烃作为主链，以羧基、膦酸基等作为吸附基团的有机共吸附剂进行研究，重点探讨共吸附剂结构对半导体薄膜能带的影响关系，以及共吸附剂在TiO2膜表面共吸附之后的吸附形态和与染料/TiO2之间的相互作用。项目完成将揭示上述不同类型共吸附剂对染料敏化太阳电池开路电压和短路电流等性能的影响，为共吸附剂的选择提供依据。

染料敏化太阳电池第三代利用光伏作用将光能转化为电能的技术，具有原材料丰富、制作成本低廉、生产工艺简单、弱光光电转化性能优良等突出特点。自1991年，由瑞士洛桑工学院的Grätzel教授所领导的研究小组成功研制出光电转换效率为7%的染料敏化太阳电池以来，经过十多年的努力，实验室内的最高光电转换效率已超过了12%。但目前效率的进一步提高遇到了瓶颈，要进一步提升染料敏化太阳电池的效率，很大程度上取决于半导体薄膜和电解液之间的界面性质，因为它关系到整个电池中电子的有效传递。这其中包含了半导体薄膜本身的特性，以及半导体表面所吸附的分子对半导体薄膜的影响等。另一方面，所采用的对电极直接影响了染料敏化电池中电解质的氧化还原性能，其特性会对电池性能产生重要的影响。本项目研究了共吸附剂硫氰酸胍对染料敏化太阳电池性能的影响，分析了不同硫氰酸胍含量对电池短路电流密度和开路电压的变化关系，以及在暗态下电池的电流电压特性曲线，推测了产生性能变化的主要原因，获得了提高电池性能的指导思路。利用传统的水热合成方面，制备了可用于染料敏化太阳电池的新型半导体材料混合价态锡氧化物——四氧化三锡，制得了纯相样品，并成功实现通过改变合成过程中反应温度、pH值、反应时间等因素来控制产物的形貌，测得了材料的紫外可见光谱，同时得到了其光学禁带宽度范围2.68-2.95 eV可调，增加了染料敏化太阳电池中半导体薄膜材料的备选对象，为提高电池性能提供了可能。另外，为了解决染料敏化太阳电池昂贵对电极材料Pt，选用地壳丰度较高的元素制备对电极薄膜，利用溶剂热方法，在玻璃基底上原位合成了Cu2SnS3，Cu2ZnSnS4对电极，并通过反应条件的控制，获得了不同的表面形貌，探索了作为对电极在敏化电池中的应用，测试结果表明在所设计的实验中，性能接近了传统的贵金属对电极。.通过本项目的开展获得了一种共吸附剂改善了电池的性能，一种新的光阳极材料可调节半导体薄膜的禁带宽度，一种光阴极材料实现高丰度低成本薄膜制备，为染料敏化太阳电池性能的提高提供了更广阔的思路，为实现高效低成本电池技术奠定了理论基础。基于上述研究成果，在ceramics international, materials letters, Acta Metall. Sin.等杂志上共发表论文4篇，标准资助的文章共8篇。