中压氨气可控氮掺杂宽禁带氧化物染料敏化太阳能电池

本项目旨在研究提高染料敏化太阳能电池（DSSC）的光电转换效率。首次通过中压氨气实现宽禁带半导体（TiO2、ZnO、SnO2）的可控氮掺杂，探索半导体掺氮量与DSSC光电转换效率间的关系，确定最佳掺氮量和工艺。研究瞬态表面光伏技术、表面光电压谱对氮掺杂宽禁带半导体与染料敏化剂的表面和界面光生电荷的行为，揭示光电功能体系中光诱导电荷分离与迁移过程的基本规律，探究光生电荷与光电功能体系活性之间的关系。分析极端掺氮条件下，N-TiO2产生近红外吸收和半导体薄膜形貌转换等奇特现象的原因。探索廉价的具有可见光-近红外吸收特性的混配杂多酸（杂多蓝）取代贵金属钌配合物作为敏化剂的可能性，制备新型全无机DSSC等。

为应对日益严峻的能源和环境问题，本项目以的TiO2、ZnO以及SnO2基的染料敏化太阳能电池（DSSC）为研究对象，以提高DSSC电池的转化效率和降低成本为研究目标，利用自主知识产权的中压氨气掺氮装置对TiO2、ZnO和SnO2控制氮掺杂。通过SEM、XRD、XPS等分析它们的结构和组成。利用瞬态/稳态表面光伏技术(SPS)研究氮掺杂氧化物的带隙变化规律与光电转换性能的关系。发现了极端氮掺杂条件下的N-TiO2的纳米形貌转换，提出了“NH3辅助VLS机理”。对ZnO进行稀土元素和氮元素的双掺杂，结果表明：低温溶液法氮掺杂对ZnO进行Pr掺杂使ZnO禁带宽度大幅降低，UV-vis光谱的吸收带边红移至可见光区，拓宽了吸光范围，DSSC电池的光电转化效率比氮单掺杂ZnO电池提高了1倍，光电转换效率达到5.2%。以SnCl4•5H2O利用模板剂水热合成纳米SnO2和氮掺杂SnO2实验，氟碳模板剂得到由多个球状纳米SnO2颗粒堆积而成的棒状结构，氮掺杂SnO2比空白的吸收光谱的吸收带边红移。本项目采用廉价的、具有蓝紫光吸收的金属配合物和杂多酸部分替代价格昂贵的钌配合物作为共敏化剂。发现对于过渡金属配合物随着金属核外电子数的减少，DSSC的开路电压(VOC)、短路电流(ISC)以及光电转化效率(PCE)都有所增加。稀土系列配合物也发现类似的规律。阻抗谱分析讨论光生电子在DSSC电极的扩散传输过程。结果显示，金属配合物同电池阳极及电解液之间具有很好的能级匹配，电子能够在阳极/染料/电解液界面注入和传输，共敏化电池效率明显提高。通过SPS以及IPCE分析发现利用杂多酸修饰的DSSC电池对光的相应频段增强，光电转换效率与未修饰时相比提高了31.2%，探讨了利用杂多酸制备全无机DSSC电池的可能性。对潜在的共敏化剂金属有机配位聚合物进行了研究，合成了一系列金属配位聚合物，其中[In(4,4'-BPDA)2•Me2NH2•H2O]n具有独特的二重贯穿金刚石型三维网络，其发光范围从蓝光区一直延伸到红光区，可作为潜在的共敏化剂材料。