量子点敏化太阳能电池光阳极上电子定向传输的研究

Electron transfer on interface of TiO2 films-Quantum dots-eletrolyte is the decisive factor affecting the photovoltaic properties of quantum dots sensitized solar cells. This topic is to be modified the TiO2 films and quantum dots by organic molecules, blocking the electron recombination in quantum dots sensitized solar cells and resulting the electron directional tranfer to the external circuit. The organic molecules should contain electron-donating group, and can be effectively combined with TiO2 films or quantum dots. TBP has been used to modify TiO2 films and quantum dots.The preliminary results show that the photoanode modified TBP applied to quantum dot-sensitized solar cells can effectively improve the energy conversion efficiencies. The higher Rct is abtained after modification of TBP from electrochemical impedance spectroscopy, indicating that TBP modification can effectively block the electron recombination. This topic will study the influence of the organic molecules contained electron-donating groups on quantum dot-sensitized solar cells and the scientific nature of effect , which provide important guiding significance for the further assembly of the higher efficiency sensitized solar cells.

量子点敏化太阳能电池中TiO2膜-量子点-电解液界面的电子传输是影响电池光伏特性的决定性因素之一。本课题拟通过对量子点敏化太阳能电池的光阳极TiO2膜和量子点进行有机功能分子修饰，阻挡电子传输过程中的复合通道，使得电子能够定向传输到外电路。该有机分子选择含有推电子基，且能够有效与TiO2膜或量子点结合的分子。我们初步利用4-叔丁基吡啶（TBP）对TiO2膜和量子点表面进行修饰，实验结果证明TBP修饰后的光阳极应用到量子点敏化太阳能电池中能有效提高其光电转换效率，并且电化学阻抗图谱表征结果显示修饰TBP后，其复合阻力Rct有明显提高，说明TBP的修饰有效阻挡了电子的复合通道。本课题将系统深入地研究含推电子基的有机功能分子对量子点敏化太阳能电池光电效率的影响，并对其作用本质进行研究探讨，为进一步组装高效率的敏化太阳能电池提供重要基础依据。

敏化太阳能电池中（包括染料敏化太阳能电池和量子点敏化太阳能电池），影响电池性能的主要因素之一就是光生电子在器件中是否能够不参与复合而定向传输到外电路。通过本项目的研究我们发现在量子点敏化太阳能电池中大家往往忽略了区分量子点/电解液与光阳极TiO2/电解液这两个界面之间发生的电子空穴复合，我们通过引入4-叔丁基吡啶这种常用于染料敏化太阳能电池的电解液添加液的有机分子，对TiO2/电解液界面的电子空穴复合进行进一步的抑制，确认了该有机分子对电子定向传输的有效作用，并通过对不同分子结构的调变实验，发现含有推电子基团的有机分子的修饰使得光阳极与电解液间的电荷复合电阻增大，抑制了电子的复合，从而提高了电池的光电效率。此外，由于本体光阳极TiO2膜其存在很多的电荷传输缺陷，导致电荷传输效率下降，我们通过将三维网络结构石墨烯（GFs）引入到量子点敏化太阳能电池的光阳极中，由于GFs优异的导电性，结构稳定性和准各向同性的电子通道等优点，GFs与TiO2复合材料作为工作电极可以有效改善电子的定向传输，进一步提高电池效率。敏化太阳能电池中对电极上电子传输速率及对电极材料对电解液的催化性能也是影响电池性能的主要因素之一，GFs的孔道结构有利于光活性物质和电解质在电极内部的吸附存储,其大的比表面积可提供更多有效反应位点, 我们发现单独的GFs材料作为敏化太阳能电池的对电极对碘电解质和硫电解质均具有很好的催化活性，且GFs/Pt复合电极表现出更为优异的催化I-/I3-的性能，染料敏化太阳能电池效率可达到7.26%，GFs/CuS复合电极则表现出更好的催化S2-/Sn2-的性能，CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的效率可达到5.04%。