基于量子点染料共敏化分等级多孔TiO2薄膜的光电性能研究

Dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cell has been proved to be an effective and promising strategy for the resolution of energy shortage. To improve the photoelectric conversion efficiency, it is very important to enhance the light-absorption performance of TiO2 thin film in the solar spectrum. In this project, we intends to investigate the improved light-absorption and photoelectric conversion efficiency of solar cell by the combination of hiararchical porous materials and cosensetization of quantum dots and dyes. First, the hierarchical porous TiO2 film is self-assembled on the surface of fluorine-doped tin oxide (FTO) coated glass, and the quantum dots and dyes as the sensitive sensors are coated on the surface of porous films to prepare hierarchical porous TiO2 solar cell. The effect of hierarchical porous structure on the loading of quantum dots and adsorption of dyes (including the dispersion, homogeneous, amount and their interaction) is investigated, with the aim of revealing the synergistic effect of the hierarchical porous structure, quantum dots and dyes for the enhanced absorption of visible light and improved photoelectric conversion performance of TiO2 thin film. The implementation of this project may provide new insights for the design and development of new and high-efficiency photoelectric conversion materials.

染料敏化纳晶TiO2太阳能电池具有解决能源短缺的潜在能力而备受关注。在大力提高光电转换效率的前提下，增强TiO2薄膜电极对太阳光谱的光吸收性能是首要解决的关键问题之一。本项目拟以研究一种量子点和染料共敏化的分等级多孔结构薄膜材料为基础，构建高效纳晶TiO2太阳能电池体系。首先，通过TiO2的自组装过程在导电玻璃表面制备分等级多孔TiO2薄膜，以无机量子点和有机染料为共敏化剂，构筑基于量子点和染料共敏化的分等级多孔TiO2薄膜；研究薄膜的分等级多孔结构对无机量子点负载和有机染料吸附的影响(分布、均匀性、含量、界面相互作用等)，揭示分等级多孔结构、无机量子点和有机染料分子对增强可见光吸收的协同作用机理，提高TiO2薄膜电极的光电转换效率。本项目的实施与完成可为半导体光电转换材料的设计提供新的思路，为高效TiO2光阳极的研究和应用提供理论依据。

染料敏化太阳能电池由于制作过程简单和价格低廉等特点作为可再生绿色能源装置越来越受到人们的关注，如何提高电池的光电转换效率成为研究的重点。本项目以研究分等级多孔复合结构增强光电转换效率为基础，构建了高效染料敏化纳米TiO2太阳能电池体系，阐明了分等级多孔结构、量子点和染料共敏化增强可见光吸收的协同作用机制。主要研究内容和取得的重要结论如下：（1）本研究制备了以下不同类型的光阳极：通过调控四氟化钛的水解速率，在钛酸盐纳米管薄膜表面自组装形成分等级多孔二氧化钛薄膜光阳极；以氧化石墨烯为造孔剂，制备了多孔结构TiO2薄膜光阳极；设计了一种新型的双层二氧化钛光散射层薄膜(无模板化学诱导自转变方法合成的二氧化钛空心球作为覆盖层和水热法合成的TiO2纳米片作为底层)染料敏化太阳能电池的光电极。（2）研究了光阳极结构特点和薄膜厚度等因素对电池光电转换性能的影响，由此提出分级多孔结构和双层薄膜的作用机理：具有更高的孔结构，更有利于染料分子吸收和电解质的快速扩散和迁移以及对光具有更好的散射能力。（3）通过化学浴沉积法成功制备了CdS量子点，将其与N719染料共敏化制备TiO2薄膜光阳极。结果表明，CdS量子点敏化太阳能电池在太阳光谱下有更宽的光吸收和更强的表面光响应。当CdS量子点和N719染料共敏化时TiO2薄膜染料敏化太阳能电池光电转换效率比单纯的染料敏化TiO2薄膜有所升高。增强的光电转换性能归因于共敏化拓宽了薄膜对可见光吸收的范围，提高了电子有效的传输、减少了电子复合和延长了电子寿命。本项目提出的设计多孔光阳极和量子点染料共敏化的思路对发展高效染料敏化太阳能电池能提供一定的理论指导。该项目在执行期间共发表SCI 收录的研究论文18 篇，其中产生ESI高引频论文1 篇；在上述成果中，有6篇论文发表于影响因子大于4的国际期刊上；获批中国发明专利4项，培养硕士研究生4名。同时，项目负责人积极参与国际国内交流与合作，总计共参加国际学术会议5次，国内学术会议4次。