染料敏化太阳能电池体系中的正向电子传递和反向电荷复合机制的研究

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) is an important field on solar energy utilization. However, with the improvement on the DSSCs, the conventional measurement and photoelectric conversion mechanisms are not enough for people to understand the advanced solar harvesting system. In present proposal, we are going to apply ultra-fast time resolved spectra measurement and single molecular spectral technique to explore the new mechanism of DSSCs. We will focus on the intramolecular charge transfer states within sensors, and interfacial charge transfer dynamic process between TiO2 nanoparticle and sensors, especially in the case of sensors with multi-branched structure. The goal of this proposal is to obtain the relationship between photoelectric conversion efficiency and micro-structure at molecular level, and figure out the dynamic mode of forward electron transfer and backward electron-cation recombination within DSSCs. Through this work we can obtain important information about DSSCs at micro-scale, which is expected to be helpful for optimizing the solar harvesting system, including dye synthesis and cells design.

染料敏化太阳能电池是未来廉价利用太阳能的有效途径之一。随着制备工艺的改进，传统的检测手段和电光转换机制已不足以表征和解释新的体系。本研究拟将我们实验室发展的多种时间分辨超快光谱和单分子光谱技术用于新型染料敏太阳能体系的机理研究，重点关注近年来兴起的超枝化分子敏化分子与TiO2纳米粒子组成的光电换体系中遇到的新机制。本研究的目的是通过研究超枝化分子各分枝间电荷转移态的相互作用，以及分子在TiO2表面的能量和电荷传递的动力学行为，从分子水平上发现微纳结构对光-电转换性能的影响规律，构建超枝化分子与TiO2纳米粒子正向电子传递和反向电荷复合的动态模型。这些微观尺度上的信息将有助于新型光敏化染料的合成和电池器件的制备。

本项目为《面向能源的光电转换材料》重大研究计划的培育项目之一，题名：染料敏化太阳能电池体系中的正向电子传递和反向电荷复合机制的研究。本研究围绕光电转化体系内的电荷传递动力学，分别从有机、无机和液相三个方面开展研究，具体内容和结果分六部分讨论：.1.超支化分子激发态电荷和能量传递动力学：通过分析不同时刻的飞秒激发态吸收、基态吸收和受激荧光光谱，研究了不同极性溶剂中的超支化分子的溶剂化过程，研究结果对深入理解这类多分支生色基团激发态能量的离域和定域性质特性，以及用于非线性光学和能量捕获材料的潜在应用前景; 通过研究PDI的六聚体的分支间传能，发现π堆积效应是导致激发态的寿命变长，延长光生激子寿命、提高光电效应的重要因素；.2.溶液中有机分子的溶剂化和构相：实验发现并理论证实导电有机高分子聚噻吩在不同的阴离体环境中表现出不同的空间构相，提出离子液体[bmim][PF6]中存在较为松散的非极性微区和较为紧密的极性微区两种微结构区域的概念；.3.凝聚相复杂分子的飞秒超快光谱动力学研究：发现有机配体到金团簇的电荷转移现象，并且这一过程伴随有溶剂化相关的振荡，结果对深入了解金属核与配体间的传能过程具有指导意义；.4.非平面有机分子的发光性质及应用：合成并研究一类平面扭曲的多分支结构分子，发现它们在OLED蓝光材料具有潜在的应用前景；.5.WO3膜中氧空位对空穴传输能力的影响：用等离子体轰击代替热退火处理WO3膜，所获的薄膜更中光滑，表面氧空位的增加，而有利于界面电荷传输，进而增强光电转换效率。.6.钙钛矿薄膜内的激子扩散和与电荷传输层界面上电荷转移动力学：在优化CH3NH3PbI3-电荷传输层界面电荷传递的动力学模型的基础上，通过实验确定其动力学参数并以此模拟太阳能电池内的激子分布，建议钙钛矿膜的厚度控制在100-200 nm 光电转化效率最高。