能级匹配为导向的DSSC复合光阳极的设计合成与光电性能关系研究

针对DSSC中有机染料和TiO2薄膜构成的光阳极在太阳光谱380-450nm高能蓝光区和近红外光部分没有得到利用的问题。本项目旨在以能级匹配为导向，设计合成一系列在紫外到蓝光区有强吸收的新颖结构金属配合物和配位聚合物，与N719染料共敏化TiO2薄膜，填补DSSC器件在高能量光区的吸收空白；设计合成上转换材料，吸收近红外区光谱，扩展DSSC对太阳光的利用率。探索金属配合物、配位聚合物和上转换材料的组成、结构与DSSC器件光电性能的关系与规律。筛选与TiO2 能级匹配的共敏化剂和上转换材料，研究共敏化剂和上转换材料与TiO2的复合工艺，制备复合光阳极。应用表面光电压谱、瞬态吸收谱和电化学工作站研究共敏化剂和上转换材料与TiO2复合的光生电荷转移过程与光电活性之间关系，光电功能体系中光诱导电荷分离与迁移过程机制。探索CZTSSe类纳米晶取代TiO2或复合TiO2光阳极光电转换性能及机理。

本项目针对DSSC中有机染料和TiO2薄膜构成的光阳极在太阳光谱280-450 nm高能蓝光区和近红外光部分没有得到利用的问题，以能级匹配为导向，设计合成了一系列在紫外到蓝光区有强吸收的新颖结构金属配合物和配位聚合物，与N719染料共敏化TiO2薄膜，填补了DSSC器件在高能量区的吸收空白。研究表明共敏化剂的分子结构影响共敏化电池性能。邻吡啶对苯双亚胺类共敏化剂能够提高N719对蓝紫光区域300-450nm的光的利用，补偿染料敏化太阳能电池电解液中I3–在380 nm处对光的竞争吸收，抑制电子复合，延长电子寿命，从而提高光电性能。甲氧基取代的邻吡啶对苯双亚胺类共敏化剂可将N719敏化的电池效率提高30%。2,6-二(烷基亚胺)吡啶类共敏化剂可以缓解N719的聚合，增强其光谱响应，抑制注入电子与电解液的复合，进而将电池效率提高了35%。红荧烯能够补偿N719在300-750 nm区域内的吸收，增加其光利用率，加之红荧烯优异的电子传输性能及匹配的能级分布，能够大大提高其光电流强度，进而提高光电性能，其可将单独N719敏化的电池效率提高40%。同时，本项目设计合成了一系列上转换材料，吸收近红外区光谱，扩展了DSSC对太阳光的利用率。应用表面光电压谱、瞬态吸收光谱和电化学工作站研究了共敏化剂和上转换材料与TiO2的复合的光生电荷转移过程与光电性之间关系，光电功能体系中光诱导电荷分离与迁移过程机制。合成了具有上转换及催化性能的Er和Yb改性F掺杂SnO2纳米晶材料并将其用作取代Pt的对电机材料，使得光电流提高了23.9%，光电效率提高了9.12%，并用SPS及IPCE研究了其NIR光-电转化行为。设计合成了近红外-绿光Ho3+-Yb3+-F−三掺杂上转换材料，将其应用到DSSCs中发现在标准状态下，开路电压为0.77 ± 0.01 V，短路电流密度为21.00 ± 0.69 mA cm−2；光电转化效率为9.91 ± 0.30%，比纯TiO2光阳极提高了37%。以UC-YF3为例，研究了其与N719之间的荧光共振能量转移（FRET）及光媒能量转移作用，在各种能量转移作用下，DSSC的效率从5.18%提高到了6.22%。