基于三维网状石墨烯分层修饰光阳极的逐层功能化染料敏化太阳能电池的研究

In this project, we plan to build and design photoanodes for Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs). Such photoanodes will be constructed by three-dimension (3D) network graphene and modified layer by layer. Through layer-by-layer functionalization, various functions of the photoanodes can be realized piecewise. Then, we can build the photoanode which are easy to generate and transport the photo-generated electronic based on the existing excellent dye adsorption and light scattering ability. Porous structure of 3D network graphene, which can facilitate the assembling of the semiconductor oxide, makes itself a framework for containing semiconductor oxide nanoparticles and the line for transporting electron. According to the idea above, we combine the high conductivity of graphene with high specific surface area and strong scattering ability of the hierarchical structure semiconductor oxide to, to construct a new composite photoanode. This project will establish the preparation methods and optimal synthesis conditions of 3D network graphene and oxide semiconductor materials, clarify the optical property relationships of DSSCs with the of and constituent, layer distributions and morphologies of graphene/semiconductor oxide mixing/composites materials in the photoanode, and finally achieve high conversion efficiency of graphene based DSSCs. The implementation of this project will not only develop the graphene based DSSCs for practical application, but also have the great significance for the development of China's own intellectual property rights about low-cost photovoltaic devices.

本项目拟设计和构建三维网状石墨烯分层修饰染料敏化太阳能电池（DSSCs）光阳极。通过逐层功能化，分段实现光阳极的各项功能，在已有较强的染料吸附和光散射能力的基础上，构建易于光生电子产生和传输的光阳极结构。利用三维网状石墨烯丰富的多孔结构便于半导体氧化物装配其中的特点，使其成为容纳半导体氧化物纳米颗粒的“框架”和电子传输的“导线”。基于上述构想，使石墨烯的高电导率优势与分等级结构半导体氧化物的高比表面积、强散射能力高度融合，构建出一种崭新的复合光阳极。本项目将确立三维网状石墨烯和半导体氧化物材料的制备方法和最佳合成条件，明晰光阳极中石墨烯/半导体氧化物混合/复合材料的组分、层次分布以及形貌与DSSCs光电特性的关系，最终实现石墨烯基DSSCs的高转换效率。本项目的实施，不仅有可能研制出面向实用化的石墨烯基染料敏化太阳能电池，而且对发展我国自主知识产权的低成本光伏器件具有十分重要的意义。

按照研究目标，课题组已制备出了一系列通透多孔结构的三维网状石墨烯材料，使其成为容纳半导体氧化物纳米颗粒的“框架”和电子传输的“导线”，在确立材料合成策略的基础上，已经调控出最佳复合/混合配比比例。具体研究目标完成情况如下：.1. 制备出了一系列通透多孔结构的三维网状石墨烯材料，使其成为容纳半导体氧化物纳米颗粒的“框架”和电子传输的“导线”。.2. 通过一系列材料和电池测试，探索三维网状石墨烯/半导体氧化物混合比例与混合形式对Graphene-DSSCs光电特性的影响。.3. 低温/常温制做光阳极薄膜取得进展，正探究高质量光阳极薄膜的制备条件，逐步提升Graphene-DSSCs光电特性。.4. 通过多孔结构的三维网状石墨烯材料以及石墨烯/半导体氧化物的大量制备，我们将此系列材料应用在化学气体传感器方面，发现此类材料在气体传感器中有着较好的气敏特性，特别是气体的选择性和传感器件低功耗方面，都有着优于其它材料体系的特质。此类应用属于本项目课题之外的意外收获，课题组很感兴趣。目前，我们也对此方面的应用进行着探索。.5. 构建三维网状石墨烯分层修饰的DSSCs纳米颗粒光阳极薄膜，通过逐层功能化，分段实现光阳极薄膜的各项功能。.6. 采用柔性ITO/PET和ITO/PEN导电衬底，一步水热生长出具有微观结构的有序TiO2纳米阵列光阳极，此方法制备的光阳极具有极好的光电特性，组装DSSCs后，实现很高的光电转换效率（6.54%），此光电转换效率在柔性DSSCs中达到国内先进水平。.7. 基于4中的TiO2纳米阵列结构，课题组分别将石墨烯量子点和MoS2量子点通过水热法、静态沉积法和气相沉积等方法将TiO2/石墨烯量子点/MoS2量子点三者有机结合，并不断优化三者组份，通过大量实验探究组份对光电特性对影响。其实验结果还在整理中。.8. 通过本项目的支持，共发表SCI论文10篇（预期6篇）；申请发明专利7项，已授权4项，（预期2-3项）；协助培养博士研究生3人。