染料敏化太阳能电池中共平面三苯胺类染料的立体化调控与光伏性能研究

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been considered as very promising third generation solar cells. Structure modification on sensitizers is one of the most direct and effective methods and means to enhance the cell performance. Previous research has shown that, through modification of triphenylamine dyes’ electron-donating group to be planar, the dyes’ activated state lifetimes and spectral response ranges will be increased and extended. However, this modification would lead to dye aggregate and electronic recombination, which is disadvantage to enhance the cell performance. In this proposal, we plans to decrease dye aggregate and electronic recombination rate via modifying the planar triphenylamine dyes to be three-dimensional. We can get the influence rule of related molecular structures on the cell performances, through study on the influence of different electron donor groups, π-conjugate bridge and electron withdrawing groups on the cell performance systematically. Meanwhile, we can reveal the mechanism of electronic recombination, via investigating charge transfer processes at the dye/titania/electrolyte interface. Then, we can develop new high performance dyes with independent intellectual property rights, through the design and development of D-π-A and D-D-π-A organic dye under the direction of above rule and mechanism. In the end, dye-sensitized solar cells’ manufacturing technique with high effiency, low cost and long lives will be developed to be alternative energy for the nation.

染料敏化太阳能电池以其低成本和高光电转换效率的优势，被认为是极具前途的第三代太阳能电池。对敏化剂分子进行结构调控是提高电池性能的最直接、最有效的手段之一。研究表明，对三苯胺染料的供电子基团进行共平面化改造，可以显著延长染料的激发态寿命，拓宽其可见光谱响应范围；但也会导致染料分子团聚和电子重组，不利于电池性能的提升。本项目拟对共平面三苯胺类染料分子进行立体化结构调控，以减少分子团聚，降低电子重组的发生概率。通过系统研究不同供电子基团、π-共轭传递链、电子吸收端对电池性能的影响，得出染料分子结构对电池性能的影响规律；通过研究染料/二氧化钛/电解质界面的电子转移过程，揭示电子重组的发生机理；再以所得规律和机理为指导，设计、开发D-π-A型和D-D-π-A型有机染料，研制出具有自主知识产权的新型高性能敏化染料。最终，开发出高效率、低成本、长寿命的染料敏化太阳能电池技术，为国家的新能源战略提供支持。

本项目着眼于当前能源危机和新型太阳能电池中关键科学问题的解决，选取太阳能电池中的关键有机光电材料作为研究对象。重点研究了三苯胺分子结构的构型改造与结构修饰，由此调控所研发的染料与空穴传输材料的电子能级、分子排列方式、电子注入与空穴传输能力，获得了较高的太阳能电池性能，解决了一些科学问题。首次提出染料敏化太阳能电池中染料敏化剂的新概念：含共平面三苯胺单元的3D敏化剂。研究了不同的敏化方法对单一染料光电性能的影响。发现在32小时内分两次浸泡后，DSSCs的Jsc 和Voc要比在32小时浸泡一次的要高很多，由此提供了一个新的方法来提高单一染料的光电性能。研制了5种具有自主知识产权的新型高性能染料，染料敏化太阳能电池的光电转换效率在原有基础上提高了21.1%。运用上述3D染料敏化剂，提出了钙钛矿太阳能电池中新概念：基于共平面三苯胺的3D的空穴传输材料。基于此新概念的钙钛矿太阳能电池的太阳能电池效率达到了16.4%，在原有基础上提高了51%；电池的使用寿命大大提高，在500小时老化测试后保持了93.2%的效率，没有明显衰减。通过整理本项目取得的研究结果，已经发表了SCI论文9篇，其中JCR一区SCI论文4篇，二区论文4篇；代表性研究成果发表在Chemical Science、Journal of Material Chemistry A、Solar Energy Materials and Solar Cells等高档次期刊上。基于本项目取得的研究成果，申请发明专利5项，其中已授权2项。总之，本项目完成了薄膜太阳能电池中一类有机光电材料的改进研究，提高了光电转换效率；采用了低廉的纯有机染料来替代了昂贵的钌染料，提高了寿命，降低了成本，具有较好的市场价值。