新型染料敏化太阳能电池对电极材料的设计及表面催化过程机理研究

Developing non-Pt based counter electrode materials for dye-sensitized solar cells(DSSC) has attracted great research interest due to the low abundance and high cost of Pt. However, on current stage, it is till an open challenge to screen potential counter electrode materials efficiently because of the limited understanding of the heterogeneous catalytic behaviours of Co-based redox mediators on the surface of counter electrodes. Based on our preliminary results of mechanistic study on the catalytic reactions of redox couples and micro-structure optimization for counter electrodes, this project will concentrated on the critical scientific issues in DSSC containing cobalt(II/III) electrolyte.In this project,we will synthesize novel counter electrode materials such as metal oxides or metal sulfides with unique crystal facets and surface atomic configurations. Furthermore, the project will explore the relationship between the surface geometrical and electrical structures and catalytic bahaviours, which largely determine the device performance. More importantly, this project will reveal the key steps of surface catalysis of redox mediators and develop a general principle for screening Pt-free alternative counter electrode materials, which can promote the commercialization of this emerging photovoltaic technique.

贵金属铂（Pt）的高成本、低储量使得寻求非Pt的染料敏化太阳能电池(DSSC)对电极材料引起科研工作者的广泛关注。然而，由于对Co基氧化还原电对在对电极表面的非均相催化过程的理解尚不成熟，目前高效筛选非Pt对电极材料仍是一大挑战。本项目将以申请人以往在对电极材料催化机理及表面微结构调控等方面的研究成果为基础，致力于解决基于Co基电解质的DSSC的关键科学问题，并实现以下几个目标：可控合成具有特定晶面和表面原子构型的氧化物、硫化物等新型对电极材料；阐明对电极材料的表面几何结构、电子结构与其电催化性能及DSSC光电性能之间的构效关系；揭示对电极材料表面催化的关键步骤及其机理，建立非Pt对电极材料的理论筛选策略；基于上述成果，开发出一批高性能、低成本的非Pt对电极材料，推进染料敏化太阳能电池这一光伏器件的产业化进程。

染料敏化太阳能电池可将太阳光直接转化为电能，对于缓解能源和环境问题具有重要意义。作为染料敏化太阳能电池的关键材料之一，高性能对电极材料的开发对提升其光电转换效率十分关键。本项目将实验研究和理论计算有机结合，进一步验证了理解和验证了电解质中氧化还原电对的关键过渡态在对电极表面的吸附能对其氧化还原活性的决定性影响；通过晶态材料结构调控手段，利用湿化学法和气相法可控合成了具有特定表面结构（如富含氧空位、暴露特定晶面）的WO3、Fe2O3、SnO2、In2O3等新型的二元及三元无机化合物对电极材料，发现氢处理过程在表面氧空位构造、提升金属氧化物催化活性方面具有普适性；利用自由基辅助法、配体聚合物辅助法等，制备了表面负载有超小Pt或PtO纳米颗粒的Pt-MWCNTs，PtO-CNTs复合纳米材料，获得优越的光电转换性能。上述材料的开发对于降低传统对电极材料—贵金属Pt的使用量，有效降低染料敏化太阳能电池的成本，并促进其产业化进程具有重要作用，同时也为新型对电极材料的开发提供了思路借鉴和理论指导。此外，针对染料敏化太阳能电池的光阳极材料构建进行了探索，制备了具有准单晶结构的介孔二氧化钛颗粒，构建了多孔水泥状TiO2光阳极，进一步提升了太阳能电池器件的整体性能。此外，开发了几种用于新型钙钛矿太阳能电池的电子传输层和光吸收材料，提升了其光电转换效率和稳定性，为新型太阳能电池的开发奠定了基础。基于项目实施，在Nature Energy, Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun., Chem. Mater., Appl. Catal. B Environ., J. Mater. Chem. A等国际知名学术期刊发表标注有该项目资助的学术论文40余篇，申请3项中国发明专利。项目执行期间，负责人荣获国家杰出青年基金，入选上海市优秀学术带头人，获上海市牡丹奖。