固體染料敏化太陽能電池的電荷傳遞與復(fù)合反應(yīng)研究.pdf

1、相比傳統(tǒng)能源，太陽能取之不盡用之不竭，并且具有高效、清潔、成本低等特點，是近年來熱門的研究和應(yīng)用方向。染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell，DSC)是第三代太陽能電池，相較第一代的硅太陽能電池和第二代的無機薄膜電池，它的制備工藝簡單、材料來源廣泛、成本低、光電轉(zhuǎn)化效率高。固體DSC因為其穩(wěn)定性和理論光電轉(zhuǎn)化效率高于液態(tài)DSC，是目前DSC的主要研究方向，但是固體DSC中的空穴傳遞材料（hole tran

2、sporting material，HTM）在TiO2薄膜孔隙中的填充率低，并且其本身的空穴傳導(dǎo)率低，嚴(yán)重影響了固體DSC的性能。另外，人們普遍忽視了HTM在二氧化鈦表面的覆蓋率對固體DSC的影響，為此我們做了以下工作:
　　(1)應(yīng)用光反射法和穩(wěn)定電流法分別測定了空穴傳遞材料Spiro-OMeTAD和P3HT的孔隙填充率和表面覆蓋率，發(fā)現(xiàn)Spiro-OMeTAD和P3HT的最大孔隙填充率分別為～65％和～30％，但是它們在TiO

3、2薄膜上的表面覆蓋率差別不明顯，最大覆蓋率均大于90％，可見HTM的表面覆蓋率與孔隙填充率有很大差異。對比相關(guān)固體DSC的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)HTM的表面覆蓋率越大，電池的短路電流越大，轉(zhuǎn)化效率越高。另外，由于Spiro-OMeTAD的孔隙填充率大于P3HT，得到的固體DSC轉(zhuǎn)化效率高于P3HT的固體電池;
　　(2)應(yīng)用高分子制孔法制備了一系列不同孔隙率的二氧化鈦薄膜，通過增加TiO2薄膜孔隙率提高了Spiro-OMeTAD的孔隙填充

4、率，同時還提高了固體DSC的電池性能，包括短路電路、開路電壓、填充因子以及光電轉(zhuǎn)化效率。線性模擬電化學(xué)阻抗譜表明提高空穴傳遞材料的孔隙填充率可以加快空穴傳遞、降低電子—空穴復(fù)合，并延長電子壽命及電子擴散長度;
　　(3)應(yīng)用退火處理法提高了Spiro-OMeTAD的結(jié)晶度和氧化度，進而增加了它的空穴傳導(dǎo)率，并提高了染料分子的再生效率，原因是Li-TFSI在退火處理過程中更加氧化了Spiro-OMeTAD，形成Spiro-OMeTA

5、D·+TFSI-流動性大的晶體結(jié)構(gòu)。但是此過程中Li+遷移到TiO2表面降低了TiO2的導(dǎo)帶進而降低了固體DSC的開路電壓。而在140℃時添加物tBP蒸發(fā)進一步降低TiO2的導(dǎo)帶，并極大地減少了固體DSC的短路電流，表現(xiàn)出更低的光電轉(zhuǎn)化效率。
　　另一方面，固體DSC在FTO導(dǎo)電玻璃/HTM界面上的電子—空穴復(fù)合也是影響電池性能的重要因素，為了降低此界面上的復(fù)合，一般引入一層致密的二氧化鈦阻擋層，多項研究表明阻擋層材料的本身性質(zhì)對

6、固體DSC的性能有很大影響。另外在固體DSC工業(yè)化的道路上，一般使用易工業(yè)化的氣相沉積法制備阻擋層，為此做了以下工作:
　　(1)系統(tǒng)研究了物理氣相沉積法制備的氧化鈦阻擋層在固體DSC中的應(yīng)用，結(jié)果表明氧化鈦阻擋層可以阻擋FTO導(dǎo)電玻璃/HTM界面的電子—空穴復(fù)合，并提高界面上的電子傳遞，最終極大地提高了固體DSC的電子壽命和光電轉(zhuǎn)化效率。85nm阻擋層制備的固體DSC具有最高的光電轉(zhuǎn)化效率，相比沒有添加阻擋層的電池，其轉(zhuǎn)化效率提

7、高814％，而液體DSC僅提高27％，可見固體DSC更加需要阻擋層，原因是固體DSC的電子壽命遠低于液體DSC(～15倍);
　　(2)論文發(fā)現(xiàn)噴霧裂解法比物理氣相沉積法制備TiO2阻擋層更加有效地提高固體DSC的性能，為此分析了四種噴霧裂解法制備的TiO2阻擋層性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)HTM為Spiro-OMeTAD的固體DSC中，阻擋層的介電常數(shù)和缺陷密度越大、電子從多孔二氧化鈦注入阻擋層的能量越大，越有利于提高固體DSC的性能。這個結(jié)論同