染料敏化太阳电池内部固/液接触界面性能“发育”机制研究

Dye sensitized solar cells (DSC) is a multi-phase photo-electrochemical system having a “sandwich” structure (transparent conductive oxide (TCO) substrate/sensitized TiO2 film/electrolyte/counter electrodes) that mainly consists of conductive glass, nano-sized porous TiO2 film, dye, electrolyte(EL), and platinum counter electrode(Pt-TCO). After injecting electrolyte into the cavity, a number of complex solid/liquid contact interfaces will be formed, and important microscopic dynamics processes of DSC will happen on these interfaces. This project proposes a new idea for the “mature” stage of solid/liquid contact interfaces and provides a new perspective to research the working mechanism of DSC. Most studies ignore the “mature” stage, and the microscopic dynamics process causing the change of macroscopic properties during the “mature” process is unclear now. This project conducted the real-time testing of DSC from the time of electrolyte injection to the time of becoming “mature” and stable. This project made an in-depth analysis of changes of the microscopic dynamics on the internal solid/liquid interfaces of DSC during the “mature” process, and expounded the property change causes during the process that the cell becomes “mature” and stable. This project is conductive to further understand electronic transmission of DSC, composite dynamics process and cell working mechanism, and is of great significance to optimization of electrolyte formula, selection of materials and improving the photovoltaic efficiency of the cell.

染料敏化太阳电池（DSC）不寻常的光电转换模式包含着复杂的能量转化过程，其机理亟需深入研究。DSC重要光电转化过程都发生在内部若干复杂的固/液接触界面处。本项目基于电池早期界面结构和性能容易受多种因素的影响，提出一个固/液接触界面性能“发育”机制的新思想，拟从一个新角度对DSC光电转化机理进行研究，尝试揭示宏微观光电转化过程早期可塑性机制。项目首先探索发育期内3个固/液界面特性动态演变机制；其次，通过发育期内界面微观动力学过程的信息获取和差异监测，获得微观动力学过程调制匹配规律；再次，研究界面结构特性、微观界面动力学过程与宏观光电性能三者的内在联系与相互作用机制，实现电池宏观光电性能早期可控；最后，研究发育期对后续稳定期和衰退期性能的关联性影响，实现借助早期调控来提高电池品质。本项目的开展将丰富现有DSC光电转化理论，为筛选电池材料，发挥电池最佳状态，延长电池寿命提供理论参考。

新型染料敏化太阳电池（DSC）包含着复杂的能量转化过程，其机理亟需深入研究。DSC重要光电转化过程都发生在内部复杂的固/液接触界面处。本项目基于早期界面结构和性能容易受多种因素的影响，提出固/液接触界面性能“发育”机制的新思想，从一个新角度对DSC光电转化机理进行研究。项目开展四个研究内容：“发育期内固/液接触界面结构特性动态演变机制研究；发育期内多界面微观电子转移动力学过程匹配机制研究；发育期内电池宏观光电性能调控研究；发育期对后续稳定期和衰退期电池光电性能的关联性研究” 形成一个完整的研究体系。按照既定研究计划完成或者超额完成所有研究内容，实现了研究目标。采用具有自主知识产权的动态吸附技术，简化传统方法的繁琐冗长的实验过程，在改变环境温度下原位获得染料吸附动力学和热力学特性。通过基底诱导不同分子几何取向，揭示了染料层羧酸盐和NCS为锚定基团时的吸附特性。解决了CDCA为代表的共吸附剂难以测试载量的挑战性问题，同时报道了基于DSC体系的CDCA热力学/动力学参数，揭示了共吸附剂作用的新机制，对重新认识共吸附剂作用机理有一定理论意义。建立了固/液界面交换模型，获得了转移电子数为1，交换数目为4的染料分子层微观脱附机理。提出DSC器件在装配后光电性能存在发育现象，发现不同光阳极器件的发育期长度不同：TiO2基DSC器件大约经过12-20小时器件性能达到最高；而SnO2基DSC经过大约480小时器件性能才能达到最高。这个重要的发现表明DSC的效率可能被低估，对于重新认识DSC的工作机理有着重要的意义。项目执行期中获得较多的成果：资助发表第一作者或通讯作者SCI论文11篇，申请核心技术专利11项，授权5项，参与重要学术交流4次。基于本项目培养硕士研究生10名，荣获江西省优秀学位论文2篇。项目直接经费44万元，严格按照预算执行未发生经费调整。