染料敏化太陽能電池的器件物理與性能研究.pdf

1、當前地球人口數量在逐年攀升，化石能源將無法滿足人類日益增長的能源需求。尋找并利用可再生能源是全球所關注和研究的熱點。在所有的可再生能源中，太陽能是未來最有可能的能源供給方式，其最主要的利用途徑是太陽能發(fā)電。近年來，染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cells,DSC）因其較低的生產成本與較高的光電轉換效率引起了人們的廣泛關注，并被認為是最有潛力的第三代太陽能電池。當前，DSC的性能還無法與傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池

2、相比擬，因此挖掘其性能上的潛力是一項重要而有意義的工作。當今，大量研究者對DSC性能的研究多立足于材料、器件結構等，很少涉及DSC的內部物理機制。探尋DSC器件的物理機制對提升DSC性能有著重要的促進作用。本文從DSC器件物理研究出發(fā)，提出了精確、有效的DSC物理機制分析方法與內部物理參數測試方法，并以此為基礎探尋提高器件性能的有效途徑。
　　首先，基于DSC的等效電路模型，研究了影響DSC光電轉換效率的關鍵因素。利用單結等效電路

3、模型，首次采用遺傳算法（Genetic Algorithm,GA）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization, PSO）和差分算法（Differential Evolution, DE）分別對DSC的等效電路參數進行了分析和提取。研究發(fā)現，PSO算法具有較高的參數精度、抗噪能力和計算效率，是一種準確、高效的DSC參數提取方法。該方法有效解決了DSC器件參數精確提取的技術難題。通過對電路參數的精確提取，發(fā)現DSC

4、的內部串聯(lián)電阻Rs是影響器件性能的重要參數之一。因此，要實現DSC更高的光電轉換效率，必須研究降低器件Rs值的有效方法，這為DSC的研究工作指明了方向。
　　其次，研究了通過抑制復合反應提高DSC性能的器件物理機制。復合反應速率與DSC的能量轉換效率密切相關，通過抑制復合反應能有效提升光陽極中的有效電子濃度，提高擴散電流密度，增強光陽極中的電子輸運能力，亦即降低電池中的Rs。為定量研究復合反應與光陽極中有效電子濃度的對應關系，需對

5、光陽極中自由電子壽命進行準確測量和分析。作為表征復合反應最重要的參數，通常的測量方法和數據處理都比較復雜。本文結合瞬態(tài)光電測試方法和Savitzky-Golay濾波技術，提出采用可變級微分平滑方法分析計算DSC中的電子壽命。該研究首次實現了對DSC電子壽命的精確、高速測量，為定量表征DSC的內部復合機制提供了一種可靠的方法。
　　再次，提出了基于稀土元素摻雜的新型氧化物半導體DSC光陽極材料，并對材料的電學、光學性能進行了數值模擬

6、。通過第一性原理計算，發(fā)現經稀土元素La摻雜的ZnO材料自由電子密度增加，呈現金屬化特性，有效增強了光陽極的電子輸運和收集能力，降低了光陽極電阻。同時，La摻雜后ZnO帶隙變寬，吸收邊藍移，拓寬了光陽極的透射波段，減少了入射光損失，材料的光吸收率、光反射率也有所降低。這些都有利于提升光吸收層中的入射光子數量，從而實現器件更高的輸出電流和能量轉換效率。該研究不但揭示了一條提高DSC光電轉換效率的有效途徑，還揭示了ZnO作為DSC光陽極材料

7、具有很大的應用潛力。
　　最后，提出了利用光學運籌的方法，通過調控光陽極界面來提高DSC的性能。采用光化學催化法在TiO2光陽極鍍上薄層銀納米顆粒，通過控制光催化鍍銀時間以調節(jié)納米顆粒的覆蓋量。銀納米顆粒的散射增大光在光陽極中的有效傳輸距離，提升了太陽光利用率，提高了器件的短路電流密度。降低TiO2納米顆粒的表面態(tài)密度，將減緩光生電子與電解液中氧化物的復合反應，改善光生電子在介孔TiO2薄膜內的傳輸，從而降低內部串聯(lián)電阻Rs。研究