多酸型染料敏化氧化锌纳米晶太阳能电池的研制

ZnO是一种宽禁带半导体。ZnO的带隙为3.2eV，和TiO2的带隙基本一样。室温下其激子束缚能为60meV，常温下就有优秀的发光性能和很好的电导率，ZnO具有很好的对光腐蚀和光化学的稳定性。ZnO的电子迁移率大于TiO2的电子迁移率，原料来源广泛且无毒，是染料敏化太阳能电池中，可望进一步提高光电转换效率，降低成本，是继以TiO2纳米晶为光阳极材料后的又一重要光阳极材料。为制备更高效率的染料敏化太阳能电池充满前景。染料敏化太阳能电池中的敏化剂羧酸吡啶钌，钌价格昂贵，给工业化开发造成困难。而多酸化合物是一类无机化合物，具有氧化态和还原态也是一类变价化合物，可在紫外区、可见区、红外区对太阳光具有优异的吸收性能，性能稳定且无毒是我国的丰产元素，价格比较便宜。我们课题组有长期的多酸研究和ZnO纳米晶的研究经历。可望在多酸型ZnO纳米晶染料敏化太阳能电池的研究中做出贡献。

可再生能源的全面可持续发展是我国“十三五”能源发展规划的重点内容，太阳能的重要利用方式之一是研制染料敏化太阳能电池(DSSC)。本课题的核心思路是制备高效率低成本的多酸型染料敏化氧化锌纳米晶太阳能电池。ZnO是一种宽禁带半导体，具有优秀的发光性能和光化学稳定性，是一种重要光阳极材料。多酸是一类无机化合物，具有优异的氧化还原性质，在紫外区、可见区、红外区对太阳光具有优异的吸收性能，制备成本较低，因此多酸有望成为低成本的非贵金属光敏剂，解决吡啶钌类染料价格昂贵等问题，为实现太阳能电池的产业化发展奠定基础。项目执行期内，我们对多酸型DSSC进行了深入研究，成功筛选出几种多酸化合物应用在DSSC中，有效地减少了电子复合加速电子传递，提高了电池的光电转换效率。其中，筛选出的一种D-A型多酸{SiW9Co3}可将电池的光电转换效率提高到8.53%，比单纯TiO2提高了25.6%。开普勒球形多酸{Mo132}可将电池的光电转换效率提高到7.94%，比纯TiO2提高了31%。胶束定向法制备的{PW12}和{SiW12}基DSSC可将其光电转换效率提高到8.4%和8.2%，比纯TiO2提高了42%和39%，同时开发了三种多酸基纯无机光敏剂应用于p-DSSC中，效率明显高于p-型电池常用染料C343。新型夹心型锗钨酸盐掺杂的TiO2光阳极与N719构筑成共敏电极，光电转换效率比N719提高了19.4%。该项目完成了预期的研究内容、目标和计划，发表92篇高质量SCI论文，其中75篇超学科平均影响因子，获得国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学j奖一等奖，出版专著两部。该项目为非贵金属光敏剂的开发奠定了较好的研究基础，我们相信多酸一定会在太阳能电池的发展中占有举足轻重的地位，同时为解决能源危机，促进社会经济及环境健康发展具有重要意义。