新型稀土增强染料敏化太阳能电池的光电转换机制和光谱电化学机理的研究

染料敏化太阳能电池在可再生能源的发展中占据了重要的位置，稀土上、下转换材料的引入拓宽了电池在太阳光谱红外、紫外段的吸收，但当前对上转换的研究仅限于体系的光-光转换，对直接分子间的能量传递机理尚未进行探讨。本项目首次提出一种新的上转换能量传递思路：即经上转换激发的稀土纳米粒子，经共振能量传递，直接激发染料分子，完成上转换能量的高效率传递。利用分光光谱组合扫描隧道显微镜(STM)、扫描电化学显微镜(SECM)的新技术，在纳米尺度研究这一新型稀土增强染料敏化太阳能电池的光谱电化学机理和作用条件，并研究下转换材料对该作用的增强效应，研究导电高分子聚合物作为空穴传导材料对实现这一机制的影响。该研究使得从纳米尺度探索新型稀土增强染料敏化太阳能电池的光电转换机制和光谱电化学机理成为可能，对开发可更大范围利用太阳光谱的新型电池和拓展稀土在该领域的应用，具有十分重要的理论和现实意义。

染料敏化太阳能电池在可再生能源的发展中占据了重要的位置，稀土上转换材料的引入拓宽了染料敏化太阳能电池在太阳光谱红外段的吸收，对上转换纳米粒子和染料之间的能量传递机理尚需进行全面探讨。本项目在以NaYF4:Yb3+,Er3+为代表物的稀土上转换纳米粒子外包裹TiO2，制成NaYF4:Yb3+,Er3+@TiO2核壳结构，研究了稀土上转换纳米粒子与染料发生能量传递的作用条件与相互关系；在此基础上，合成了不同种类的稀土上转换纳米粒子NaYF4:Yb, Re @TiO2 (Re=Er、Tm、Ho)，研究不同上转换材料的组合并组装上转换稀土增强的DSSC，评价了其光电转换性能；采用扫描探针显微镜研究了NaLiYF4:Yb,Er,Tm@TiO2的单个纳米粒子在红外光谱激发下的的光电行为；研制了大面积丝网印刷柔性准固态染料敏化太阳能电池。实验结果表明，该核壳结构不但可以通过反斯托克斯位移将红外光转换为可利用的可见光，扩大DSSC对光的吸收利用范围，并具备TiO2半导体特性，克服了直接混掺时非导电物质对电荷传输的阻碍，减小电荷在电极内部传输的阻抗，起到了增大电池效率的效果；具有特定组合的两和三种稀土上转换核壳结构材料光电极更易实现能级的匹配和实现能量的更有效传递，获得的电池效率优于单一稀土材料的电池效率；单个粒子的扫描探针显微镜表征具有其独特的优势；大面积柔性准固态染料敏化太阳能电池可实现丝网印刷制备。这些机理的阐明和相关研究对理解稀土上转换纳米粒子和染料及电池电极之间的能量传递具有重要作用，对拓展稀土上转换纳米粒子在染料敏化太阳能电池中的应用以及电池走向实际应用具有重要意义。