基于宽光谱响应光致异构光子晶体的染料敏化太阳能电池的制备及机理研究

The utilization of the sunlight is low and the modulation of the photonic crystal is narrow. To solve these challenges, we proceed from improving the photo-electric conversion efficiency of dye-sensitized solar cell (DSSCs) and extending the modulation range of photonic crystal. This research investigates on the modulation of the photonic crystal structures and index in view of extending the modulation range of photonic band gap of liquid crystal. Based on the diazotization and coupling reaction of azobenzene compounds as well as the rapid self-assembly of block copolymer, this project aims to develop the modulation band gap of photonic crystal with high ability of high responsiveness of wide spectral. By using soft template layer by layer transfer technique, the photo-directed photonic crystal will be applied to the counter electrode of the dye-sensitized solar cell to develop the light control layer of battery, and a dye-sensitized solar cell with a wide spectral response will be developed with increased lifetime. A numerical model will be developed using Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method to test the proposed photonic crystals and devices. In addition, a suitable optimization method will be applied to obtain good photonic crystal materials with excellent optical properties and to develop photovoltaic devices with excellent performance. A numerical model related to FDTD on feasibility authentication in DSSCs will be investigated. The determinants of the photonic crystal parameters and the structure design on the performance improvement of the device will be verified, which can provide a new way and method to improve the cell performance.

针对目前染料敏化太阳电池（DSSCs）对太阳光利用率不高及可调制光子晶体调制范围窄的问题，从提高光电转换效率和扩展光子带隙的调制范围角度出发，以偶氮苯类化合物和嵌段共聚物为基础，使用重氮化以及偶联反应和快速自组装等方法构筑具有帯隙可调宽光谱响应能力的光致异构化光子晶体，利用液晶调控技术调控光子带隙，实现对光子晶体晶格结构及折射率的双重调制。借助软模板层层转移技术构建具有宽光谱响应能力的新型复合DSSCs，构造器件的光操纵层，拓展太阳光吸收光谱，增加光子在光阳极层内的寿命。借助时域有限差分（FDTD）算法，对光子晶体和光伏器件进行光学和电学方面的仿真，以获得具有优异光学特性的光致异构光子晶体和卓越光伏性能的光伏器件。论证FDTD数值模拟方法在DSSCs中应用的可行性。明确光子晶体参数、结构设计对器件光伏性能提升的决定因素，为DSSCs光电转换效率的提高探索新的方法和思路。

染料敏化太阳电池（DSSCs）的有机光活性层非常薄，对光的入射角度、入射强度依赖小，有利于弱光条件下的光电转化。具有光子帯隙、光子局限特性的光子晶体拥有能够控制光流动的优越性能。光子晶体在光学尺度上具有周期性介电结构，当一定波长的光波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射效应而受到调制。光子禁带的存在使处于该频率范围内的光通过光子晶体被全反射。这种光子晶体“反射镜”远优于金属对光的反射，因为反射镜表面温度较低，不易被烧坏。因此光子晶体在有效控制光的流动方面性能卓越。本项目主要的研究内容是通过研究SiO2、SiO2-TiO2、聚苯乙烯、碳球等不同种类的光子晶体微球，设计合成了一系列可运用于染料敏化太阳能电池的光子晶体光阳极，提高了光伏器件对太阳光的利用能力，提高了光电转换效率。设计合成了具有精细分级结构的TiO2、ZnO遗态功能氧化物半导体光子晶体，该制备过程具有绿色环保、成本低廉、易于加工等特点。制备了基于胆固醇衍生物宽色域显色的胆甾相液晶。利用FDTD模拟软件，对DSSC中不同形状的TiO2层的进行了模拟仿真。发表相关SCI论文6篇，申请公开专利一部。本项目取得的关键数据是使用SiO2-TiO2光子晶体复合膜作为光阳极制备的染料敏化太阳能电池的JSC比普通电池提高了2mA，填充因子提高了3.89，最终的光电转换效率由5.9%提高至7.16%，性能提升了约21%。以碳微球为沉积模板制备的光子晶体作为反射层可以提高电池效率，JSC、VOC以及填充因子均有一定程度的提升，使得电池的光电转换效率从6.29%提升至7.01%，在原本的基础上提升了11%。碳微球光子晶体反射层的光阳极在350-669nm处吸收值与普通的光阳极相比更高，对可见光的吸收效果更好。制备了基于蝴蝶模板和孔雀羽毛的ZnO、TiO2遗态功能氧化物半导体光子晶体，使之生物分级结构得到近乎完美地保留。利用时域有限差分方法模拟的结果表明蛾眼结构的TiO2层因其特殊的微观结构，在可见光波长范围内，均可以使得光吸收的能力极大提高，因此可以有效利用太阳光。