功能材料对染料敏化太阳能电池电子传输机制的影响研究

Many functional materials such as Long persistence luminescent graphene materials have be applied to dye-sensitised solar cells, they can be used to generate electricity at night and rainy day, which broke the bottleneck of the solar cell can only be excited by sunlight on sunny days. However, by spin functional materials on sensitizing light anode surface or the electrode lateral, will break original coupling relationship between photo-anode and dyes, change electrolyte concentration and resistance , therefore will inevitably affect the injection efficiency and the charge transfer process. This project will by means of time-resolved spectroscopy, detecting electron transfer kinetics in photo-anode, clarify the influence of functional materials to photo-anode surface structure(density distribution), electron injection efficiency and charge transfer process, .reveal the effective ways and laws to improve photoelectric conversion efficiency, provide theoretical basis for new solar cell. This project will have the vital significance to promote the photoelectric informatics, photoelectric materials, ultrafast photonics and other related disciplines.

长余辉发光材料与石墨烯材料等功能材料已应用于染料敏化太阳能电池，可储存光能在夜晚与阴雨天发电，打破了太阳能电池只有在强光下发电的瓶颈，实现“全天候”发电，是对太阳能电池的一项新探索。然而通过在敏化了的光阳极表层或是对电极外侧旋涂功能材料，会打破光阳极与染料原有的耦合关系，改变电解质浓度及其电阻等，这必然会影响电子注入效率与电荷传输过程。本项目将以时间分辨光谱技术为手段，通过探测光阳极内的电子传输动力学，阐明功能材料对光阳极表面结构（缺陷态分布）、电子注入效率与电荷传输过程等微观机制的影响，揭示提高光电转换的有效途径和规律，为新型太阳能电池的工艺制备提供理论依据。本项目对推动光电信息学、光电材料学、超快光子学等相关学科的交叉与发展具有重要的意义。

染料敏化太阳能电池和有机聚合物太阳能电池，未来应用前景广阔是太阳能新能源开发利用最活跃的领域。功能材料引入染料敏化太阳能电池实现“全天候”发电，是对太阳能电池的一项新探索。本研究借助于瞬态光电技术及时间分辨光谱，探测电子传输动力学，阐明功能材料对传输、复合等微观机制的影响，揭示提高光电转换的有效途径，为新型太阳能电池的工艺制备提供理论依据。结果表明：(1) LPP荧光材料层的作用一方面会降低电子与电解质的复合效率，有利于电子的收集，另一方面令电子在光阳极中的DOS分布更深，阻碍电子的收集，这种竞争关系如何平衡，促使更多的电子被收集是未来荧光材料层优化的关键。(2) 光阳极工作面积增加会加深缺陷态能量分布，此特征会阻碍电子在光阳极内的传输，加速电子复合，降低电荷收集效率。以上是减小短路电流的本质原因。. 功能材料引入倒置型有机聚合物太阳能电池作为电子或空穴传输层，可最大限度地降低载流子的复合损失，提升载流子收集效率。项目研究通过探测电子传输动力学，实验给出了非孪生复合速率常数krec，结果表明：(1) DIO处理有利于PBDTTT-E/PCBM器件载流子的产生和转移，表现为寿命更长，krec更低。DIO处理有助于优化活性层形貌，提高载流子输运。(2) 8nm LNO空穴传输层的PTB7-Th/PCBM器件的τn要长于其他厚度LNO层器件的τn，说明8nm LNO层器件的电子传输特性优于其他厚度。(3) ZnO电子传输层可提高载流子的迁移率和寿命。ZnO层与PTB7-Th/PCBM活性层之间具有良好的界面接触，可增强电子转移减少界面电荷复合。. 在给体材料修饰方面，探讨了二维聚合物材料PF(S)DCN的侧链效应和F取代对PBDTTTs非孪生复合动力学的影响。结果表明：(1)光激发PF(S)DCN溶液形成的原初产物是分子内极化子对而非中性单重态激子态。共轭侧链更长的PFDCN具有更强的分子内电荷转移性质和更高的PP/Ex生成比例，且PP至Ex复合时间较长(~7 ps)。 (2) F取代会增加载流子的非孪生复合损失，其又是限制其器件性能的主要损失过程。本项目对推动光电材料学、超快光子学等相关学科的交叉与发展具有重要的意义。