二氧化钛介孔微球复合材料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究

TiO2 mesoporous microspheres represent a group of extraordinary photoanode materials utilized in dye-sensitized solar cells (DSSC). However, in the microsphere based photoanode film, the poor connection of the neighborhood spheres reduces the photoelectron collection efficiency and the size-induced scattering enhancement is not able to compensate the insufficient light absorption of the traditional dye molecules in the visible and near-infrared range. The research project aims to improve the connection among the neighborhood microspheres and to promote the electron collection efficiency of the porous film by employing three dimensional graphene/TiO2 mesoporous microspheres hetero-materials. Meanwhile, the surface of the as-formed porous film is also schemed to anchor with Au, Ag nanoparticles or the metal chalcogenide nanoparticles to prepare the hybrid photoanodes. The visible and near-infrared absorption of the DSSC could be boosted by taking advantage of the intrinsic structural qualities of the TiO2 microspheres and other benefiting factors brought forth by the active nanoparticles such as the localized surface plasmon resonance absorption and the co-sensitization of the narrow band-gap semiconductors. In addition, the project also plans to reveal the influencing mechanism of the hybrid photoanode structure on the DSSC performances by determining and studying the structural and energy parameters like the composition ratio, interface quality, band shift, band alignment etc. and the kinetic parameters of the DSSC such as the electron recombination/transport lifetime, diffusion constant, collection efficiency and so on.

TiO2介孔微球是一类性能优良的染料敏化太阳能电池（DSSC）阳极膜材料。但在微球基阳极膜中，相邻微球间较弱的物理接触降低了阳极膜的光电子收集能力，并且由微球尺寸引起的光散射增强不能有效弥补传统钌配合物染料在可见及近红外区的吸收不足。本项目拟通过简易、普适的工艺合成三维网状结构石墨烯/ TiO2介孔微球复合材料，通过改善微球间衔接提高多孔膜的电子收集能力。同时，在微球多孔膜表面负载金、银纳米颗粒或金属硫族半导体纳米颗粒形成多重复合阳极膜结构。利用活性纳米颗粒的局域表面等离子共振吸收和窄禁带半导体的共敏化，结合介孔微球自身结构优势提高DSSC对可见及近红外入射光的捕获能力。研究复合结构的组成配比、界面质量、能级变化、能带匹配等结构与能量参数以及DSSC中电子复合/传输寿命、扩散系数、收集效率等动力学参数，揭示复合阳极膜结构对电池性能的影响机理。

本项目主要针对优化敏化光伏电池阳极膜结构，合成出一系列二氧化钛基复合微球材料，分析其形貌、结构、物理化学特性及其光电化学性能之间的影响规律。进而通过引入石墨烯、贵金属、窄带隙量子点等材料形成复合多孔光阳极膜，通过控制阳极膜的组成、结构和界面质量，调节电池器件的光吸收特性、载流子传输/复合、电解液扩散等光电动力学过程，提高染料/量子点敏化光伏电池性能并探讨阳极膜材料对其性能的影响规律和作用机制。由于敏化光伏电池在敏化材料及器件构型设计方面还存在着消光系数低、载流子复合难以控制等缺陷，使得该领域研究进展缓慢，器件整体光伏性能仍需进一步提升以达到商业应用需求。同时，项目在敏化光伏电池催化对电极方面也做出了相关研究工作，合成了一系列新型石墨烯复合材料作为非铂基对电极，在有效提高电池效率的同时降低了器件的制备成本。此外，在光电解水制氢光阳极设计制备方面也做出了积极的尝试，项目执行期间，在SCI源期刊发表研究论文28篇，申请国家发明专利6项，授权1项，在材料液相制备方法、生长机理研究、光电性能测试、实验结果理论分析等方面做了充分的积累，形成了稳定的研究方向并为今后的研究工作奠定了坚实的理论和实验基础。