新型复合金属氧化物半导体的合成、能级调控及其染料敏化太阳能电池的基础研究

以能级匹配为出发点，设计合成导带能级可控的半导体是染料敏化太阳能电池（DSSC）研究的关键科学问题之一。本课题拟合成一系列具有不同导带能级的复合金属氧化物半导体进行DSSC的基础研究，建立复合金属氧化物半导体纳米材料的可控合成方法学，揭示半导体的导带能级变化对DSSC的短路光电流、开路光电压、能量转化效率、光电转化效率（IPCE）、电子注入效率、电子寿命和电子扩散长度的影响规律，阐明半导体与染料敏化剂之间的最佳能级匹配方式，对于建立应用于DSSC的半导体纳米材料体系具有理论指导意义，为提高DSSC的性能提供新的研究思路。

通过溶胶凝胶法将W(VI)掺杂到二氧化钛中，当钨的含量从0.1%增加到2%时，复合物的导带逐渐正移，继续增加钨的含量至5%，导带能级基本不变。钨掺杂可以抑制染料敏化太阳能电池（DSSC）的电荷复合。结果，短路电流（Jsc）提高，开路光电压（Voc）在钨含量低于0.5%时基本不变，高于0.5%时有所降低。在0.2%W掺杂时，获得最高能量转化效率（η），为9.1%。进一步研究发现影响因子（FF）随Zn(II)掺杂量增加而升高，但随W(VI)掺杂量增加而降低。通过单一二极管模型分析，发现FF随Voc/m比值的增大而增大，这对于设计合成新复合材料具有指导意义。在导电基底上原位生长金红石相的二氧化钛纳米棒阵列，发现生长液中醋酸的存在有利于形成均匀致密的有序纳米棒阵列，从而加快电子扩散，提高DSSC的性能。设计合成了金纳米粒子镶嵌的TiO2纳米复合物，4 微米厚的复合物薄膜光阳极就可以产生10.1%的效率（Voc = 863 mV，Jsc = 15.71 mA cm-2），与纯TiO2电极相比，Voc提高了97 mV，Jsc 提高了63%，提高了84%。除了金纳米粒子的等离子体共振效应，我们还发现金纳米粒子镶嵌可以引起导带能级负移，抑制电荷复合。具有镶嵌结构的Au-TiO2复合纳米电极对于提高Voc和制备超薄高效DSSC具有重要意义。首次制备了柔性、质轻、超强的碳纳米管纤维太阳能电池，单色光下（530 nm）的光电转化效率高达90%。另外，一根碳纳米管纤维作为对电极，另一根纤维上沉积TiO2并吸附染料，两者相互缠绕，构造线状DSSC，效率达到 2.94%，这些太阳能驱动的纤维电池，其性能不受入射光角度和纤维长度的影响，可以通过传统的纺织技术编织成纺织品。为了取代昂贵的铂，发明了一步法低温水热合成金属硒化物 ，在导电玻璃表面原位生长透明硒化物薄膜，用作DSSC的对电极。片状Co0.85Se 比 Pt 具有更高的电催化活性，因此产生更高的电流和效率。设计合成了一系列酯基咪唑碘盐，具有三维有序离子通道，可以充当固态DSSC的高效固态电解质，其FF高达0.73，效率高达6.63%。在一个太阳光下连续照射1000小时，效率基本不变。这一发现对于设计合成高导电率的离子导体，制备稳定高效的固态DSSC打下了基础。