基于染料敏化太阳电池电极设计的理论研究与性能模拟

The dye-sensitized solar cells (DSC) are the novel thin film solar cells which converts solar energy directly to electricity. DSC possesses great application prospect due to the simple fabrication technology and the abundant raw material. The urgent key question is how to clarify the dynamic process of DSC and further improve the light-electric conversion efficiency of large-scale DSC module by designing reasonable electrode structure. Based on present study and combined with the theoretical simulation and experiment research, this project starts from the improvement of the DSC collection efficiency to investigate the joule loss on the conductive layer of substrate and the metal grids, and to analyze how the inner series resistances affect collection efficiency and photovoltaic performance of DSC，so that it can explore the change law of photovoltaic performance with the different material characteristics and reveal the mechanism of electron collection loss of DSC. Through the mutual balance of the illumination-area loss and the joule loss in solar cells, this project also clarifies the effect of electrode design on the photovoltaic performance of DSC and setups the theoretical model that provides theoretical instruction for electrode design to reflect the photovoltaic performance of DSC. We are eager to obtain corresponding relation between the performance of DSC and relational microscopic parameters with this study in order to instruct experiment and to improve the photovoltaic performance of DSC.

染料敏化太阳电池是一种将光能直接转化成电能的新型薄膜电池，其生产工艺相对简单，原材料丰富，具有良好的应用前景。如何明确电池微观动力学过程，设计合理电极结构，进一步提高其光电转换效率是大面积染料敏化太阳电池研究中亟需解决的关键问题。本项目在现有工作基础上，结合理论模拟与实验研究，从改善电池电荷收集效率入手，研究电池微观动力学过程，探索影响电池光伏性能的微观参数变化规律；研究电荷在基底导电层与金属栅极的焦耳损失，分析内部串联电阻对电池收集效率和光伏性能的影响，探索其光伏性能随材料性能变化的规律，揭示染料敏化太阳电池电荷收集损失机理；根据电池中光照面积损失与焦耳损失相互制衡关系，明晰电池电极设计对其光伏性能的影响机理，建立反映电池光伏性能的理论模型，为电极设计提供理论指导。通过本项目的研究渴望获得不同条件下电池性能与微观参数的对应关系，指导实验研究，进而提高大面积染料敏化太阳电池光伏性能。

在染料敏化太阳电池走向实用化的过程中，如何提高大面积染料敏化太阳电池(DSC)组件的光电转换效率是该类电池所面临的关键所在，针对大面积DSC组件光电转换效率远低于小面积电池的现状，需要对电池组件的结构进行合理的优化设计。本项目从理论模型出发，研究了电池组件中光采集及光电子的收集对其性能的影响，研究电池内各项主要电阻损耗、电池内部电子传输和复合损耗、电极电阻的影响以及其它一些电学参数，建立包括光和电的DSC电池模型；结合电池组件中光损失和电子收集损失，从而提高电池组件效率并获得最佳结构电池组件。. 项目研究中从经典的电动力学Maxwell方程组出发，结合拉普拉斯方程，研究不同结构电池组件中导电基底上的电势分布，并通过欧姆定律微分形式计算获得光电子在导电基底、金属栅极等内部串联阻抗中的能量损耗。通过紫外-可见分光光度计、2420数字源表、XP-2轮廓仪、四探针测量仪、电化学阻抗谱（EIS）及调制光电压/光电流谱(IMVS/IMPS)等获得不同电池中的物理参数及微观参数；通过改变导电基底可见光透过率、方块电阻、电极形状、金属栅极电阻等条件研究其对电池组件中电流、电压、填充因子等性能的影响；通过优化二氧化钛纳米晶电极及染料的工艺参数，选择合适的电极形状，制备了高效率电池组件。. 项目通过研究器件的光采集、电子传输及收集过程，建立了大面积电池光伏性能理论模型。通过理论模型模拟计算其光伏性能变化，并比较实验与理论模拟数据，研究表明，原材料性能及电池中的串联阻抗对大面积DSC的光电转换效率影响较大，其中串联阻抗是导致大面积DSC转换效率远低于实验室小面积电池的主要因素。根据环境条件的变化，通过选取合适的导电基底，设计合理的电极结构（包括金属栅极、光活性层等），在理论模拟的指导下，实验研究最终成功制备的高效大面积DSC器件效率达到10%以上。项目的研究成果对于染料敏化太阳电池的实用化有着重要意义。