染料敏化太阳能电池中半导体结对电极材料的设计与性能

The conversion of solar energy to electrical energy is an attractive process to address both energy and environmental issues. Solar cell technology basing on photoelectric conversion is generally considered to be an important solution way. Under the guidance of heterojunctions theory, this project is aiming to improve the catalytic activity to reduce I3- by adjusting the electron distribution at surface/interface of materials via the heterojunctions and developing high efficient counter electrode (CE) materials for dye-sensitized solar cells (DSSCs). Metal-semiconductor and semiconductor-semiconductor heterojunctions will be built by using the chalcogenide semiconductors. Based on their energy schemes and chemical properties, different chalcogenide heterojunctions materials will be designed and synthesized. The effects of crystal structure, composition, morphologies structures and the electron distribution at surface/interface to the catalytic activity and CE performances will be studied. It will be focused research that how the types, energy structures and morphology affect the rectifying characteristics and catalytic activity to reduce I3-. Finally, the electron transfers and mass diffusion mechanism in the chalcogenide heterojunctions CE materials will be summarized. And the junctions will be optimized to obtain high performance CE materials for DSSCs.

将太阳能转变为电能是解决能源危机和环境问题的理想途径之一。基于光电转化的太阳能电池技术被认为是一种重要的解决方案，其核心是高效太阳能电池材料和器件的开发。本项目以染料敏化太阳能电池对电极材料的研发为背景，利用半导体结对材料表界面的电子分布进行调控，提高电催化性能，开发高效的染料敏化太阳能电池对电极材料。依据能带匹配原则构建基于硫属化合物的金属-半导体或半导体-半导体结的对电极材料；围绕半导体结材料的设计、合成、结构与表界面电子分布等特性间的关系等展开工作。重点研究硫属化合物半导体结的种类、能带结构和形貌结构等对催化还原I3-能力的影响和相互作用规律。探究半导体结提高电催化活性的微观作用机理，优化材料结构，设计并合成高性能硫属化合物半导体结对电极材料。

本项目以染料敏化太阳能电池、液流电池等能源器件中对高效碘电对电催化材料的需求为导向，立足半导体结纳米材料的构建，通过对硫属化合物纳米材料的控制合成与能带结构、金属-硫化物和硫化物-硫化物纳米半导体结的一步合成方法探究，实现了半导体结类型、荷电状态和电催化活性的调控。在新型半导体结纳米材料的控制合成及其功能拓展等研究方面取得了阶段性成果并积累了一些经验。在重要刊物上已发表35篇学术论文，申报9项国家发明专利，授权发明专利2项。.在合成化学理论指导下，本项目通过反应体系的设计，以Fe、Cu和Ag基硫属化合物为对象，通过液相法合成并筛选出对碘电对具有良好催化活性的晶型可控的Ag2Se纳米晶、组成可调节的Cu2XGeS4((X=Fe, Co, Ni, Cd, Mn))纳米晶、能带结构可调的Fe1-xCoxS2和类金属相Fe2CoSe4纳米片等的新型硫属化合物半导体纳米材料。在半导体物理理论指导下，通过分析不同银基和Co基硫化物的形成条件，通过改变溶剂等反应条件，设计合成了Ag-Ag8GeS6、Ag-Ag9GaS6金属-半导体肖特基结和Ag2S-AgInS2、CoS2/CoS半导体结，通过电化学表征和XPS确认了半导体结的形成，初步判明了空间电荷区对活性中心电子结构和催化活性的影响，进一步采用空间分辨电子能量损失谱（EELs）证实结界面附近的电子结构和纳米晶本体有很大差异。较为系统的考察了半导体结的种类、能带结构和形貌结构等对催化还原I3−能力、染料敏化太阳能电池性能的影响和相互作用规律。.在此基础上，本项目进一步优化电极的电子和离子通路设计，分别利用原位生长和二次负载技术开发了GF-CoS2/CoS; GF- Cu2XGeS4电极材料，实现了碘电对的高效催化转化，提高了液流电池等器件的性能。本项目还将高效碘电对电催化材料推广到基于卤素媒介的高选择性醇到醛、烯烃环氧化等有机反应和OER/ORR等反应中。