金属有机框架衍生物构筑的光伏储能器件

The photovoltaic energy storage devices can realize the effective energy conversion, storage and release, but their energy conversion and storage efficiencies are still low. Meanwhile, the systematic study and optimization on the electrode materials of photovoltaic energy storage devices are highly desired. Metal-organic frameworks (MOFs) are one kind of inorganic-organic hybrid material with regular pore structure, and have been used widely as the precursor for the preparation of nanomaterials. This application will study the photovoltaic energy storage devices based on dye-sensitized solar cells (DSC) and supercapacitors, and MOFs will be utilized to fabricate the nanostructured metal oxides and porous carbon, which can be employed to assemble DSC and supercapacitors simultaneously. By adjusting the parameters such as the metal centers and the organic ligands of MOFs and the reaction approach, the structures of metal oxides and porous carbon could be regulated and optimized, and then the DSC and supercapacitors will be assembled based on these metal oxides and carbon materials. Through the joint optimization of DSC and supercapacitors, the high performance photovoltaic energy storage devices will be constructed with an improved efficiency higher than 6%. The relationship between the structure regulation of MOFs and the mechanisms of high performance devices, such as the electron transport and recombination, the energy conversion and storage and the energy level match, will be investigated. The study will promote the application of MOFs in the field of energy conversion and storage, and lay the theoretical foundation for the application of high performance photovoltaic energy storage devices.

针对目前光伏储能器件能量转化与存储效率较低的问题，拟开展新型电极材料的研制。金属有机框架（MOF）材料是一类具有规则孔道的无机-有机杂化材料，并成为制备纳米材料的一种重要的前驱体材料。本项目将研究融合染料敏化太阳能电池（DSC）的光电转化和超级电容器的储能于一体的光伏储能器件，利用MOF材料为前驱体制备同时适合于DSC和超级电容器的纳米结构氧化物和多孔碳材料，并构筑基于MOF前驱体的光伏储能器件。通过金属中心、有机配体、反应途径等参数的变化对基于MOF前驱体的新型电极材料进行系统调控，进而组装成DSC和超级电容器，通过两者的协同优化实现高性能的光伏储能器件，其能量转化与存储效率达到6%以上。同时，研究高性能光伏储能器件的工作机理，揭示连接方式和MOF的结构调控对电子传输与复合、能量转化与存储、储能密度与储能效率、能级匹配等关键因素的影响规律，为研制高性能光伏储能器件提供理论基础。

项目以研制高性能光伏储能器件为目标，分别对其中的太阳能电池和超级电容器进行性能优化，获得了多种能够有效提升太阳能电池和超级电容器性能的方法：（1）开发了一系列的界面处理策略。基于MOF材料的界面处理，使得PSCs的效率从17.48%提高到19.45%。；基于硫代乙酰胺的钝化使得陷阱密度从3.36×1016显著降低到1.93×1016 cm−3；利用D–A–p–A型有机敏化剂来增强光收集并减少钙钛矿薄膜的陷阱态，PCE从18.91%增加到20.31%；将二维ZnIn2S4用于钝化钙钛矿膜的缺陷，实现了表面缺陷和钙钛矿薄膜中的晶界的高效钝化，从而得到了20.55%的最佳PCE；将1,3-二甲基咪唑碘化物这种离子液体作为添加剂来制备高质量的钙钛矿膜，效率达到20.4%；将具有供体-受体结构的吲哚啉染料通过添加剂工程引入钙钛矿前驱体中，优化结晶速度，提高晶体质量，实现了21.38%的PCE。（2）发展了新型致密层和电子传输层材料。合成了Zn2SnO4薄膜并首次用作PSC的致密层，电池的效率为20.1%；通过低温途径制备了由锐钛矿型TiO2介晶组成的介孔薄膜，首次用于PSC的ETL，得到了20.26%的光电转换效率；首次将TiO2-B纳米颗粒用作钙钛矿太阳能电池的电子传输材料，并实现了18.83%的效率。（3）基于MOF材料制备超级电容器电极材料。将Nd-(Ph)3P首次用作超级电容器的电极，在 0.5 A g-1电流密度下具有951 F g-1的超大电容，是SC中稀土基材料的最高电容；以MOF为前驱体制备分等级结构Mn2O3中空微球，在1 A g-1的电流密度下可提供高达1058 F g-1的比电容，是该类材料性能最好的结果之一；以MOF为模板制备了三元MnCoNi层状双氢氧化物MnCoNi-LDH，在电流密度为1 A g-1时提供2254 F g−1的超高比电容。进而将两者结合成光储器件，获得了效率大于8%的光伏储能器件。对器件性能增强的机理进行了深入的分析，揭示了界面调控、电极结构等因素影响器件性能的机理。在ChemSusChem、J. Mater. Chem. A、ACS Sustain. Chem. Eng.等期刊发表基金标注论文32篇，其中19篇论文研究了项目相关的太阳能电池或者超级电容器器件。这些研究为相关器件的发展提供了有益的借鉴。