染料敏化太阳电池界面修饰及其机理

染料敏化太阳电池（DSC）具有低价、长寿命、原材料丰富、设备简单、易于大规模生产等优点,成为近年来国际研究的热点。光阳极中半导体导带电子和电解质中电子受体或氧化态染料的界面复合是导致电池性能降低的主要因素。本项目致力于DSC光阳极的界面修饰，通过不同亲疏水性、pKa值、空间位阻、偶极矩和吸附基团的共吸附剂对染料在纳晶半导体表面吸附行为影响的微观分析，结合分子动力学模拟和光阳极界面反应特性的研究，设计合成系列二烷基取代次磷酸做共吸附剂，研究共吸附剂对大面积染料敏化太阳电池光伏性能和稳定性的影响及共吸附剂在界面作用的机理，深入理解光阳极界面特性，从而达到节约贵金属钌染料用量，提高电池经济性，提高电池的光伏性能及稳定性的目的。

染料敏化太阳电池光阳极界面修饰是提高器件光电转换效率和电池稳定性的重要手段。采用共吸附剂是目前最为简单的光阳极界面处理方法之一。本项目选取了不同链长的苯甲酸衍生物做共吸附剂，通过对位取代烷氧基分子链长的变化研究亲疏水性对染料在纳晶半导体表面吸附量、键合方式等的影响；通过改变苯甲酸对位取代基的种类，如甲基、乙烯基、氰基、硝基、羧基、甲氨基等，研究取代基的pKa及分子偶极矩对染料吸附行为的影响；通过改变吸附基团的种类，如采用羟基、羧基、氨基、膦酸基等，研究吸附基团对染料吸附行为的影响；采用对位甲基、乙基、异丙基、叔丁基等的苯甲酸，研究取代基空间位阻对染料吸附行为的影响。通过共吸附剂的不同引入方式，如先吸附染料，再吸附共吸附剂的两步法；或采用染料和共吸附剂的混合溶液的一步法引入方式，考察引入方式对染料纳晶半导体表面吸附行为的影响。研究了共吸附剂分子结构对器件光伏性能的影响；合成了系列烷基次膦酸作共吸附剂，分别应用于无机钌染料及有机染料敏化太阳电池中。通过对器件电化学及光电化学测试，对器件微观性能参数、电池光阳极界面特性等有了深入认识。.通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试检测了共吸附剂在TiO2表面的吸附情况，并通过TiO2薄膜平带电势以及电池暗电流和电化学阻抗谱(EIS)测试等研究了共吸附剂对TiO2薄膜的修饰作用。研究发现胆酸类共吸附剂对TiO2薄膜表面具有较好的钝化作用，适量鹅脱氧胆酸(CDCA)的引入可以提高电池的光伏性能。.共吸附剂分子能够吸附在纳晶TiO2表面，从而减少了暗电流，提高了电池的开路电压和光电转换效率。与文献报道的二(3,3-二甲基丁基)次膦酸(DINHOP)相比，双十二烷基次膦酸（DDdPA）的引入可以更好地抑制TiO2/染料/电解质界面处的电子复合。在优化浓度配比下，DDdPA的引入有效提高了器件的电子寿命，使TiO2导带边负移约30 mV，最终使器件的开路电压提高了47 mV，光电转换效率提升约10%。