基于聚苯胺/金属纳米线复合透明对电极的双面进光染料敏化太阳能电池研究

Bifacial design can remarkably improve the power generation efficiency of dye sensitized solar cells (DSCs), it is thus of theoretical and practical importance to study bifacial DSCs. The realization of bifacial design requires the optical transparency of counter electrode (CE). Our previous study shows that polyaniline (PANI) film has promising application in bifacial DSCs, for its excellent optical transparency and catalytic activity. However, the performance of PANI CE is strongly dependent on the use of transparent conductive oxide (TCO) films. It is known that TCO films are expensive and fragile, which are not suitable for the preparing low cost and flexible bifacial DSCs in real applications. Herein, we propose to prepare transparent PANI/metal nanowires composite CEs with silver nanowires and copper nanowires based transparent conductive films. Factors that could influence the photoelectrochemical properties of the composite CEs will be studied and controlled. Meanwhile, the influence of the photoelectrochemical properties of the CEs on the performance of DSCs and the corresponding mechanisms will also be explored. Besides, an electrolyte of high electrochemical activity that we have developed in previous work is used to enhance the photovoltaic performance of the composite CEs in DSCs by reducing the charge transfer resistance at CE/electrolyte interface. Finally, the bifacial DSCs we prepared are expected to give power conversion efficiencies comparable to that of devices using Pt CE under front-side illumination, while produce rear-side efficiencies over 50% that of front-side.

双面进光的设计可显著提高染料敏化太阳能电池（DSCs）的发电效率，对其进行研究有重要的理论和实际意义。透明对电极是实现双面进光设计的前提。前期研究中，我们发现聚苯胺（PANI）薄膜具有优异的透光和催化性能，在双面进光DSCs中颇具应用前景。但PANI对电极的性能强烈依赖透明导电氧化物（TCO）衬底的使用，而TCO薄膜成本高、韧性差，不满足电池实际应用对低成本和柔性的需求。为此，本项目拟以透明银、铜纳米线导电薄膜为衬底，制备透明PANI对电极，用于双面进光DSCs。研究对电极光电化学性质的影响因素及控制方法，分析其对DSCs光电性能的影响规律及作用机制，以优化制备工艺。此外，项目还采用我们前期开发的高活性电解质，以降低“电解质/对电极”界面的电荷转移电阻，增强对电极在DSCs中的性能表现。通过上述工作，力图使双面进光DSCs的正面转换效率与使用Pt电极时相当，且反面效率不低于正面的50%。

本项目围绕染料敏化太阳能电池（DSC）和钙钛矿太阳能电池（PSC）这两个光伏领域前沿课题，开展了以下三方面的工作：（1）铜纳米线（CuNWs）的合成及铜纳米线/聚苯胺复合电极的制备；（2）碳包覆铜纳米线及其透明导电薄膜的制备；（3）空气中制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池研究。.我们成功制备了高长径比、尺寸均一的CuNWs 并用其制作导电薄膜，以TiO2 溶胶作为保护层，制备了CuNWs/聚苯胺复合电极用于染料敏化太阳能电池（DSC）的对电极。我们发现若要获得满意的器件性能还需要进一步增强CuNWs导电薄膜的抗氧化及抗电解质腐蚀性能。为此，我们采用原位生长的方法，在CuNWs表面包覆一层碳膜作为保护层。我们已实现碳膜的均匀生长并掌握了碳膜厚度的控制方法。我们发现碳包覆可以显著增强CuNWs导电薄膜的稳定性，且对薄膜导电性和透明性没有明显不利影响。所得碳包覆CuNWs透明导电薄膜基本满足了DSC的应用需求，且在其他光电化学器件中也有广阔的应用前景。目前，我们正在进一步优化薄膜的透光性和导电性及相关双面进光DSC的器件性能。后面我们还将进一步探索其在PSC中的应用。. 针对PSC稳定性的关键问题，我们以Pb(SCN)2为前驱体制备PSC，这种电池可以在大气环境下制备 。在相对湿度大于70%的情况下，也可以稳定地获得高质量的CH3NH3PbI3-x(SCN)x钙钛矿薄膜，所得电池的平均效率为13.5%，最高可以达到15%以上。在相同制备条件，这种电池比以传统PbI2为前驱体制备的CH3NH3PbI3电池表现出更好的光电转换性能和长期稳定性。此外，我们还与他人合作，以低温条件制备的SnO2取代TiO2 作为电子传输层制备CH3NH3PbI3-x(SCN)x钙钛矿电池，并获得了16%左右的光电转换效率。相关研究为PSC的商业化生产提供了一种简易的新方法。. 在基金的支持下，上述研究共发表SCI论文6篇，其中包括Nature Communications 和 Advanced Materials 等顶级刊物；申请国家发明专利2项；培养研究生2名，较好地完成了预定目标。