聚合诱导相分离法原位生长可控结构碳催化层及其DSC光电性能优化理论

基于碳材料取代贵金属Pt作为染料敏化太阳电池（DSC）对电极催化层的应用背景，本项目首次提出设计与制备一种宏观结构呈一体式且孔隙结构可控碳催化层的新思路。通过研究热解时双相聚合物向碳催化层转变的组织演化规律，采用聚合诱导相分离热解法在低廉衬底上原位生长碳催化层，避免现有制备技术带来的碳颗粒脱落引起的器件稳定性下降等问题，并形成"低廉催化层+低廉衬底"的新型对电极。通过澄清粘弹性效应和衬底协同作用下的聚合诱导相分离机理，设计出孔隙结构能广范围调控的碳催化层，借此阐明碳催化层孔隙结构对电解质扩散与还原的影响机制，为DSC光电性能优化提供理论依据。.本项目交叉融合了无机材料学、能源科学技术和有机化学等学科，通过重点解决主要科学问题，实现材料的制备与器件性能的优化，顺利开展有望进一步加强局域光伏产业自主知识产权的技术贮备。

非Pt对电极的研制是染料敏化太阳电池（DSC）大规模产业化面临的关键问题。为了推动该问题的解决，本项目基于聚合诱导相分离原理探索了低结晶度碳材料进一步取代Pt作为对电极的应用。主要研究内容和相应的结果包括四方面：（1）在碳材料孔隙结构的设计及聚合诱导相分离机理方面取得了重要成果，主要扩展了碳材料孔隙结构的调控途径、实现了梯度孔隙结构碳材料的设计与调控、完成了碳材料孔隙结构取向化设计与调控、形成了束缚态聚合诱导相分离制备多孔碳复合薄膜的技术、阐明了碳质前躯体对多孔碳孔隙结构的影响规律，特别是克服了聚合诱导相分离无法调控梯度分布的孔形态的盲区，形成一种梯度孔隙结构碳材料的专门制备技术；（2）在新型碳对电极及其制备技术方面取得了重要成果，主要探索了金属薄片作为碳对电极基底材料的性能、完成了宏观结构呈一体式碳对电极的构建与透明化制备、阐明了导电耐腐蚀层对碳对电极性能的影响、揭示了碳对电极的改性途径与机理，特别是提出了多种碳对电极改性的思路和模型，发现了ZnO层的增压效应，获得了与Pt对电极性能相当的新型碳对电极；（3）在器件光电性能优化与稳定性评估方面取得了重要成果，主要实现了刚性光电极的性能优化、完成了器件的稳定性改善与评估、初步探索了柔性光电极的制备与器件性能；（4）在碳材料催化机理方面取得了重要成果，主要阐明了碳对电极孔隙结构和晶体结构对电解质扩散及还原的影响机制，提出了相应催化活性点模型。与此同时，还建立了一种基于分形理论定量分析碳材料和碳薄膜孔隙特征的方法，设计与搭建了固化加热装置和提拉镀膜机两种装置。. 本项目属于新能源领域，交叉融合了无机材料学、电化学、能源科学技术和有机化学等学科，重点解决了碳材料制备与孔隙结构多样调控、碳对电极构建与改性、碳对电极的催化机制等方面的主要科学问题，实现了材料的制备与器件性能的优化，建立了相关技术。因此，研究所取得的基础数据在技术层面、科学层面和产业战略层面上都很有意义。