局域表面等离激元增强染料敏化太阳电池性能及机理研究

Broadening absorption spectrum and increasing light-harvesting efficiency of dye-sensitized solar cells play a key role in enhancing power conversion efficiency of dye-sensitized solar cells. In this project, a series of core-shell structured plasmonic nanoparticles are designed and synthesized, and applied in the photoanodes of dye-sensitized solar cells with cobalt based electrolyte. The wavelength of surface plasmon resonance of core-shell structured nanoparticles is adjusted to match the low-absorption regions of photoabsorbers (YD2-OC8 and C259), and then the light-harvesting efficiency of dye-sensitized solar cells in the low-absorption regions can be enhanced via the localized surface plasmonic resonance. We will systematically investigate the influence of localized surface plasmon resonance characteristics of core-shell structured nanoparticles on interfacial charge separation on nanocrystals and microscale charge transport, and disclose the intrinsic relationship among microstructures of plasmonic nanoparticles, localized surface plasmon resonance characteristics, interfacial charge separation and charge transport as well as device performances. In combination with the theoretical simulation, the mechanism of localized surface plasmon enhanced light-absorption and power conversion efficiency of dye-sensitized solar cells is elucidated, which can provide a theoretical basis for further enhancing the performance of dye-sensitized solar cells.

拓宽染料敏化太阳电池吸收光谱范围、提高其光吸收利用效率，是提高电池功率转换效率的关键。本项目设计、合成系列核-壳结构等离激元纳米粒子，并应用于钴基电解质的染料敏化太阳电池光阳极。调控核-壳结构纳米粒子局域表面等离激元共振波长与染料敏化剂(YD2-OC8和C259)弱吸收光谱区域相匹配，利用其局域表面等离激元共振特性，提高染料敏化剂在其弱光吸收区的光吸收效率；研究核-壳结构纳米粒子对光阳极纳晶界面电荷分离和微尺度电荷输运的影响，揭示等离激元纳米粒子微观结构特征—局域表面等离激元共振特性—界面电荷分离与输运—器件性能之间的内在关联，并结合理论模拟计算，阐明局域表面等离激元增强染料敏化太阳电池光吸收和提高电池功率转换效率的机理，为进一步提高染料敏化太阳电池性能提供理论依据。

相对于传统硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池(DSCs)作为一种新型的太阳能电池，由于其成本低、工艺简单、功率转换效率高以及在轻质、强柔韧性、高透明性等方面占有较明显的优势。拓宽染料敏化太阳电池吸收光谱范围、提高其光吸收利用效率，是提高电池功率转换效率的关键。本项目设计、合成系列核-壳结构等离激元纳米粒子，应用于染料敏化太阳电池光阳极，并取得了较好的实验结果。具体内容如下：.（1）采用Ag@SiO2核-壳纳米颗粒(NPs)掺入TiO2纳米立方体(NCs)作为光阳极，组装器件。Ag@SiO2 NPs核-壳纳米结构的引入有效增强光阳极的光捕获效率。优化Ag@SiO2 NPs的掺入比，2 wt % Ag@SiO2 NPs的器件光电流达到最大值。采用时域有限差分法(FDTD)和瞬态吸收光谱(TAS)分析了器件等离子体增强机理。.（2）采用溶胶凝胶与溶剂热混合法制备出高结晶度TiO2介孔球(TiO2 MS)，其介孔的纳米结构具有较高的比表面积和孔洞率。通过调节反应时间及温度，我们可以有效地调整TiO2 MS的比表面积和孔径。紫外-可见吸收光谱、电化学阻抗谱和光伏测试结果表明：TiO2 MS具有高的染料负载量、优异的光散射性能、以及能够有效抑制TiO2介孔球/染料/电解质界面处电子复合。基于TiO2 MS光阳极，所制备的DSC光电转换效率达到10.3％。结合低挥发性MPN基电解质，首次实现基于单层TiO2 MS膜，光电转换效率大于10％并保持良好稳定性的DSC。.（3）通过溶剂热法制备Au@Ag@SiO2 核-壳纳米棒(NR)，并将其掺入TiO2 MS光阳极，组装DSCs。利用Au@Ag@SiO2 NR的局域表面等离子体共振效应，提高染料的光捕获。采用时域有限差分法、瞬态吸收光谱及时间分辨光致发光光谱(trPL)来分析器件等离子体增强机理。FDTD结果表明Au@Ag NRs周围增强的电磁近场增加了其与染料分子偶极子的相互作用，有益于提高染料的光捕获。trPL分析表明Au@Ag@SiO2 NRs的引入能够提高TiO2导带内电子传输速率及抑制TIO2 MS /Au@Ag NRs界面处的电子复合。TAS结果表明LSPR诱导等离子共振能量转移能有效增加DSC内染料的光捕获，提高染料分子内电子-空穴对的产生，进而提高向TiO2导带内的电子注入。最终，获得了功率转换效率为11.3%.