染料敏化太阳能电池中电子的扩散复合机理研究

Due to moderate conversion efficiency (～13%) and low fabrication cost, dye-sensitized solar cells have received a great amount of attention in the field of renewable energy. With in-depth research, people have found that some key issues relevant to microscopical mechanism in the photo-electrical conversion process are urgent to be resolved. Which mechanism, tunnelling through potential-barrier or trapping/detrapping, holds for electron diffusion in photoanode? Which dominates the recombination occurred on the interface of oxide semiconductor/dye/electrolyte, interface potential-barrier, localized states, or particular chemical reaction? How do we self-consistently intepretate the electron-density-dependence of diffusion coefficient and recombination rate found in experiment? In order to resolve such problems, we must carry a thorough study of electron diffusion in oxide semiconductor and electron transfer on the relevant interface. In this project, we will self-consitently measure diffusion coefficient and recombination rate, and clarify the mechanism of electron diffusion and recombination by carrying out a study with a harmonic combination of theoretical works on microscopical model and diffusion equation and experimental works on the adjusting and controlling of electron diffusion and recombination. Our work should be helpful for persons to futher improve the performance of dye-sensitized solar cells in photo-electricity conversion.

染料敏化太阳能电池具有可观的转换效率（～13%）和较低的制作成本，在可再生能源领域相关的研究中广受关注。随着研究工作的深入，人们发现在光电转换过程相关的微观机理认识上有一些关键问题急待解决。就光电阳极中的电子扩散而言，是服从于势垒隧穿机制还是捕获/去捕获机制; 在氧化物半导体/染料/电解液界面上发生的电子复合，其速率受制于界面势垒、或是局域态的性质、还是特定的化学反应过程; 在电子扩散系数和复合系数的测量方面，如何自洽地解释它们的电子密度依赖问题等等。 要解决这些问题， 有必要对光生电子在氧化物半导体中的扩散以及界面上的转移进行系统的研究。本项目通过将模型、扩散方程方面的研究与扩散复合的实验调控有机结合起来，自洽地测定扩散复合系数，阐明扩散复合机理，为进一步提升转换效率提供支撑。

染料敏化太阳能电池具有相当高的转换效率（~13%）和较低的制备成本，在光伏领域相关研究中广受关注。脱胎于染料敏化太阳能电池，但很快主要以平面异质结型电池面貌而出现的有机钙钛矿太阳能电池在过去的几年中得到了飞速发展，其转换效率已超过20%。光生载流子的产生、输运和复合的微观机理研究在太阳能电池研究中起着举足轻重的作用。然而，无论是研究了二十多年的传统染料敏化太阳能电池，还是近几年突飞猛进的有机钙钛矿太阳能电池，在这些关键物理、化学过程的认识上仍有不足。比如，对传统的染料敏化太阳能电池已提出了几种不同的复合机制，在扩散系数D的测量解释上存在不自洽的地方；对新兴的有机钙钛矿太阳能电池, 在半导体极性的调控以及对电池的影响、器件中内建电场特性以及可能存在的离子迁移研究方面还是空白。. 本项目聚焦于传统染料敏化以及新兴的有机钙钛矿太阳能电池中的光生载流子的输运复合机理研究。（1）对传统的染料（N719）敏化太阳能电池, 建立了从宏观稳态I-V曲线提取材料微观特性参数（注入效率，扩散系数等）的方法。我们确定注入效率的方法不需要昂贵的超快光学设备，而且得到的是真实电池中的值；（2）在新兴的有机钙钛矿太阳能电池方面，提出了一种双层热扩散方法制备有机金属钙钛矿薄膜与器件的方法, 相应器件的光伏转换效率达到10%。该方法简单易行，且不受一般双层膜方法中必须使用正交溶剂的束缚；（3）通过银掺杂实现有机钙钛矿薄膜形貌、结构和载流子扩散和复合特性的调控，在含氯体系中效率从11.2%提高到15.4%，在3I体系中效率从15.7%提高到17.9%。 适当银掺杂使得结晶度提高，且钙钛矿的半导体极性从n型转变为本征型，从而实现了载流子的平衡输运，有效降低反转饱和电流，提升光伏性能；（4）模型计算表明钙钛矿中费密能级位置对器件的光伏性能有重要影响，当费密能级落在带边0.1eV内时，器件效率将急剧降低，其根源为多数载流子浓度增加引起的反转饱和电流增加以及钙钛矿层中内建电场的减弱。