含有新型氧化还原对电解质的高效太阳能电池设计与制备

Redox couple as one of the crucial components in dye-sensitized solar cells or quantum dots sensitized solar cells has been investigated for many years. Due to the several drawbacks of the past commonly used I?/I3? electrolyte, scientists have paid more attention on seeking other alternative electrolyte systems. Up to now, the best efficiency of iodine-free redox couple-based DSCs, 12.3 %, has been achieved by Co based redox couple under AM 1.5G, 100 mW?cm?2 light illumination and other redox couples also show the promising future in DSCs. This great achievement has shown the huge potential for further improvement of the performance of DSCs. In this proposal, we plan to systematically design and synthesize two series of iodine-free redox couples including pure organic redox couples and transition metal-complexes. Particular attention will paid to the energetically matching of the new redox couples with organic dyes or quantum dots in both n-type DSCs (based on nanostructured TiO2 for example) and p-type DSCs (based on nanostructured NiO for example). Through this project, we’ll be able to provide a library of electrolytes with fine-tuned redox potentials, and to apply these electrolytes to construct different type solar cells, aiming to achieve breakthroughs in this field.For example, we’ll try to demonstrate the first highly efficient tandem solar cell based on n-type anode (TiO2) and p-type cathode (NiO) with organic dyes and a new type of electrolyte.

染料敏化太阳电池（DSC）通常采用碘/碘离子作为电解质中的氧化还原对。由于含碘电解质具有腐蚀性大、自身的颜色对入射光有过滤作用、易挥发等缺点，限制了这类太阳电池的大规模推广，同时也制约了这类太阳电池光电转换效率的提高。为了从理论和实践的源头上取得突破，发展具有自主知识产权的材料体系，提高我国在光电材料和器件研究领域的整体创新能力，本课题拟研制开发两类不含卤素的新型电解质并用于n型、p型DSC，或量子点敏化太阳电池（QDSC）: 一类基于有机化合物氮杂噻吩硫/二硫化物氧化还原对，另一类基于金属钴配合物氧化还原对。用这些新型电解质和有机光敏染料、或量子点结合分别组装基于n型半导体（如TiO2）和基于p型半导体（如NiO）的DSC或QDSC。在此基础上，采用如下结构: n型半导体/n型染料(或量子点)/新型电解质/p型染料（或量子点）/p型半导体，尝试组装叠层太阳电池，争取大幅度提高转换效率。

针对液态染料敏化太阳能电池中碘/碘离子氧化还原对腐蚀性大和吸收可见光等缺点，本项目构建了一系列有机化合物和金属配合物作为新型氧化还原对，并成功用于液态染料敏化太阳能电池中。将S2-/Sx2-作为氧化还原对用于杂合多组分体系。Sx2-有效地抑制了I3-的生成，从而更有利于光敏染料对太阳光的捕获。与相同条件下使用I-/I3-电解质的电池相比，电池的开路电压和短路电流密度同时得到了不同程度的提升，从而电池的光电转换效率提升约20%左右。受到光系统II的启发，将对苯二酚（HQ）/苯醌（BQ）氧化还原对成功地应用于染料敏化太阳能电池杂合多组分电解质体系，获得了比传统碘电解质更高的光电转换效率。本项目又设计并合成了含有1,1-联吡啶基乙烷和6, 6’-二甲基-2,2’-联吡啶为配体的金属铜（I/II）有机配合物的氧化还原对。其中含有6, 6’-二甲基-2,2’-联吡啶为配体的金属铜（I/II）有机配合物电对具有高达0.97 V的氧化还原电位，因此氧化态染料的再生驱动力仅为0.11 V。尽管驱动力很小，但是瞬态吸收动力学显示该体系具有快速的氧化态染料再生过程，有效的减少了能量的损失。基于此氧化还原电对的染料敏化太阳能电池取得了高达1048 mV的开路电压和10.3%的光电转换效率。这是目前为止已报道的液态染料敏化电池中含有金属铜配合物作为氧化还原对的最高光电转换效率。这些有机化合物及金属配合物氧化还原对的开发对将来进一步提升染料敏化太阳能电池的光电转换效率具有重要的学术意义。本项目也积极探索研制一系列有机小分子空穴传输材料，并将它们用于固态染料敏化和钙钛矿电池中。针对传统的有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD合成复杂 产率低, 价格昂贵等缺点，成功地设计合成了一系列类似spiro-OMeTAD结构的有机小分子空穴传输材料。这些小分子的结构简单, 合成方法方便，因此大大地提高了产率，从而降低了生产成本。其中最具代表的X60的合成只需要两步，收率达到80%以上。采用X60作为空穴传输材料在固态染料敏化和钙钛矿电池中分别取得了高达7.3%和19.8%的光电转换效率。这是目前已报道的非Spiro-OMeTAD的有机小分子空穴传输材料在钙钛矿电池中的最高效率。这些生产成本低廉、高效的有机小分子空穴传输材料的研制为将来大规模生产固态太阳能电池奠定了基础。