基于双层复合光阳极的高效染料敏化太阳能电池研究

The enhancements of optical absorption and electronic transport are efficient approaches to improve the photoelectric conversion efficiency of dye- sensitized solar cells (DSSCs). In this project, the plasmonic effect induced by metal nanoparticles and the axial electronic transport feature of metal nanowires will be utilized to construct a novel bi-layer composite photoanode, realizing the increased optical absorptivity and enhanced electronic transport. The composite photoanode consists of an optical management layer formed by layered metal nanoparticles, and a porous layer doped by metal nanowires. In the optical management layer, the plasmonic effect induced by metal nanoparticles can increase the incoupling efficiency of incident light in photoanode and modulates the light frequency, and hence, the dye absorptivity can be increased. In the porous layer, the excellent axial electronic transport feature of metal nanowires provides direct path for electron transport. The enhanced optical absorption and electronic transport achieved in this novel photanode will effectively increase the efficiency of DSSC. This project will explore the effect of photoanode structural feature on the optical absorption and electronic transport properties and as well its working mechanisms, and provide new structural design ideas for highly efficient DSSC.

光吸收与电子传输的增强是提升染料敏化太阳能电池（DSSC）光电转换效率的有效途径。本项目利用金属纳米粒子等离激元效应与金属纳米线的轴向电荷传输特性，设计新型双层复合光阳极结构，实现光吸收与电子传输的增强。复合光阳极由一层金属纳米粒子构成的光管理层和另一层掺杂了金属纳米线的多孔层组成。在光管理层中，金属纳米粒子的等离激元效应可以增加入射光耦合效率，并对入射光频率进行调制，实现染料光吸收效率的增加。在多孔层中，金属纳米线优异的轴向电荷传输特性为电子传输提供了直接通道。在这种新型双层复合光阳极中，光吸收效率及电子传输效率的提高将有效提升DSSC的效率。本项目将深入探索新型复合光阳极结构对光吸收与电子传输的影响规律及其机制，为高效DSSC结构设计提供新的思路。

光吸收与电子传输的增强是提升染料敏化太阳能电池（DSSC）光电转换效率的有效途径。本课题执行过程中，设计并制备了Ag@TiO2、Ag@Ag2S、TiO2@MOS2、CNTs@LCMS以及TiO2串球分级结构等多种核壳结构，用于同时实现纳米颗粒的等离激元陷光增强和一维结构的电子传输增强，获得了稳定制备工艺。在这些具有高效染料吸附、光散射及快速电子传输的纳米材料的基础上，构建具有高效光吸收及快速电子传输的光阳极。其中，起到光管理作用的金属/氧化物核壳结构和各种金属氧化物纳米颗粒可以增加进入光阳极层的入射光耦合效率，并对入射光频率进行调制，实现染料光吸收效率的增加；金属纳米线、碳纳米管和TiO2纳米线优异的轴向电荷传输特性可以为光阳极层中电子传输提供了直接通道。此外，我们还设计了新型低成本对电极：金属氧化物与有机物复合的TiO2-PEDOT:PSS/PEDOT:PSS/glass对电极。利用开发的复合结构纳米材料和新型对电极，在不提高材料成本的前提下可提高染料敏化太阳电池光电转换效率达34%，电池性能可以达到使用传统Pt电极电池性能的91.39%。除应用于染料敏化电池外，我们还设计了一种新型的TiO2嵌入式的钙钛矿太阳能电池结构。我们将TiO2纳米颗粒掺入到CH3NH3PbI3当中作为电池的吸光材料，在促进晶粒长大的同时提高了载流子分离效率，使器件性能明显提升，做到了MAPbI3体系中最高的光电转换效率19.2%。此外，这种新型结构大大提高了器件稳定性，使器件在28天以后仍保持有80%的效率。本项目探索了新型复合光阳极结构对光吸收与电子传输的影响规律及其机制，实现DSSC效率的显著提升，为高效DSSC以及钙钛矿太阳能电池的设计提供了新的思路。