基于石墨烯/氧化钛复合物的超柔性太阳能电池及性能研究

柔性染料敏化太阳能电池具有重量轻、抗弯曲、适合大规模卷轴生产等优点，在拓展太阳能电池的新型用途和低成本化方面具有重要意义。但柔性染料敏化太阳能电池发展还存在成本仍较高、柔韧性不高、电池效率低等一系列问题。本项目针对上述问题，提出以湿法制备的高柔韧性的碳纳米管基透明导电薄膜替代传统的ITO薄膜，从而大幅提高电池的柔韧性，并降低其成本；同时在氧化钛光阳极中引入原位制备的高度分散且形成纳米尺度界面结合的石墨烯高速导电网络，提高电子传输速率，减少载流子复合，从而提高其光电转换效率。项目主要进行高透明性、低电阻碳管薄膜的控制因素优化、无偶联剂石墨烯/氧化钛复合结构制备及界面工程调控、柔性太阳能电池的抗折叠性及长效性研究，并揭示这种新型太阳能电池的载流子迁移机理。本项目对通过微观结构设计研究新型光伏电池具有重要科学意义，并为更大范围拓展其应用奠定坚实基础。

为克服柔性染料敏化太阳能电池中ITO透明电极价格昂贵、光阳极电子传输性能差因而效率不高等关键问题，本项目着重进行了太阳能电池用高透明低电阻柔性碳基薄膜的制备、低温高效光阳极制备和电池构建以及高性能柔性石墨烯对电极的制备等方面的研究。项目在Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem., Nanoscale, J. Phys. Chem. C等国内外重要学术刊物发表SCI收录论文17篇，申请中国发明专利2项，授权1项。培养毕业在碳基薄膜材料、新型太阳能电池领域有一定建树的优秀博士研究生4名。项目开展的主要工作有：. 1) 研发了一系列替代价格昂贵的ITO电极的石墨烯基透明电极材料。通过对常压化学气相沉积条件下碳源的扩散、成核、生长的有效控制，制备了高质量单层石墨烯薄膜，550nm透过率为97%情况下，方块电阻为520Ω/sq，多次转移及化学掺杂后，薄膜具有优异的光学电学特性(T550nm=85%，R<30Ω/sq)，多次弯折电阻保持稳定。在此基础上开发了石墨烯/碳纳米管、石墨烯/金属纳米线复合透明导电薄膜，导电性及稳定性得到进一步提升。这些研究成果解决了DSSC透明电极价格高昂、易碎、不能弯曲等缺点，且可在其他领域得到应用；. 2)构建了基于不同组成和结构光阳极的多种类型柔性太阳能电池。采用电化学腐蚀方法获得了孔径和长度可控的TiO2纳米管阵列，以其为基础构建的前照式低温太阳能电池光电转换效率达到3.68%；首次提出并实现了基于Cu/Cu2O的液结太阳能电池，通过对薄膜形貌和成分的优化，构建的刚性电池效率达到3.13%，柔性太阳能电池效率达到1.44%，而且制备方法简单易控；另外，还制备了基于石墨烯复合光阳极以及低温烧结纳米TiO2浆料的柔性太阳能电池，解决了低温电极电子传输速率低的问题，光电转换效率最高达到4.41%；. 3)本项目研发了基于不锈钢基底的石墨烯/氧化钛以及石墨烯/氮化钛柔性对电极，利用纳米微粒的空间阻隔效应抑制了石墨烯层间的堆垛和团聚，使电极材料同时具有高导电性、高活性催化表面积以及高度连通的液体扩散通道。上述柔性对电极在I-/I3-体系中表现出比磁控溅射铂电极更高的电催化性能，电池光电转换效率达到7.36%，高于铂电极(7.20%)，且工艺简单易放大。