基于光阳极活性层原位精准修复的染料敏化太阳能电池光俘获增效研究

Improving the light-trapping ability of photoanode and clarifying its mechanism are one of the research hotspots and difficulties for realizing a breakthrough in photoelectric conversion efficiency (PCE) of dye-sensitized solar cells. In this research, based on our previous research in large/small dye co-sensitization, we put forward a creative idea of “In-situ Targeted Repair” of Photoanode Active Layer (coded as PAL). With spectral response and dye-loading defects of matrix PAL as the pointcut, adopting the strategy of “Step-by-step Repair, Fine-tuning Spectrum”, and through the three-dimensional synergistic adjustment of spectral complementary, structure matching and molecular interaction, panchromatic and orderly high-density-loading photoanode materials will be prepared. Focus on three key problems, including that (i) Defects identification of matrix PAL; (ii) Step-by-step repair of matrix PAL defects by spectral response and dye loading; (iii) Evaluation of light-trapping enhancement and model building. In addition, the effect rules of “Step-by-step Repair, Fine-tuning Spectrum” for in-situ targeted repair on light-trapping enhancement will be highlighted. Overall, the implementation of this research is expected to provide theoretical basis for light-trapping enhancement, and have important scientific significance in improving PCE and photovoltaic performances of DSSCs.

提高光阳极光俘获能力，并阐明其增效机理，是实现染料敏化太阳能电池光电转换效率突破的热点和难点。本项目基于我们在大/小染料协同敏化方面的研究基础，提出光阳极活性层“原位精准修复”的新思路。以母体光阳极活性层的光谱响应和染料负载缺陷为切入点，采用“逐级修复，光谱微调”的策略，结合光谱互补、结构匹配、分子间作用三个维度协同调控的手段，制备全光谱响应和染料有序高密度负载的光阳极材料。重点研究三个内容： 1）母体光阳极活性层的缺陷识别；2）从光谱响应、染料负载两个角度对母体光阳极活性层缺陷的逐级修复；3）光俘获增效评价及模型构建。着重阐明“逐级修复，光谱微调” 的原位精准修复策略对光俘获增效的影响规律。项目的实施将为光俘获增效研究提供理论依据，对光电转换效率提高和光伏性能研究具有重要的科学意义。

染料敏化太阳能电池（DSSCs）光阳极的光俘获能力对于光电转换效率的提高至关重要。然而，光阳极活性层普遍存在光谱响应和染料负载缺陷，这不仅影响光吸收范围，还影响光吸收强度。如果以光阳极活性层的缺陷为导向，对光谱响应和染料负载缺陷进行精准修复，则有望改善太阳能电池的光俘获能力，进而提高器件的光电转化效率。. 针对单一染料敏化太阳能电池普遍存在光响应范围窄、电子复合、分子团聚等问题，本项目结合不同分子特点（光谱响应、分子构型、分子间作用）构建了多元共敏体系。主要研究内容包括：a）超分子敏化体系研究。通过自组装修复电子传输通道，改善电池光俘获性能和稳定性。以三苯胺供体染料NP-1作为参比，设计了N-苯基苯并咪唑供体染料NP-2和三苯基三嗪染料NP-3，分别与叔丁基苯甲酸（PTBBA）共敏，用于构建功能化的光阳极自组装层，以获得光阳极缺陷的精准修复；b）液晶-染料共敏体系研究。设计、合成了两个具有吡啶末端的棒状液晶分子3N和3N-1，分别和染料AZ6制备共敏太阳能电池，用于研究液晶分子对染料敏化太阳能电池光伏性能及电池寿命的影响；c）胆固醇-染料共敏体系研究。以原材料丰富、成本低廉的胆固醇（Cholestetrol）为共敏剂、三苯胺供体染料NP-1为主染料，制备共敏太阳能电池，并对其光伏性能和电池寿命进行研究。d）酸-碱染料共敏体系研究。通过吡啶受体和羧酸受体之间的无竞争吸附，实现染料在TiO2表面的有序高密度负载；通过酸-碱染料的紫外-可见吸收光谱差异，实现光阳极的光谱微调。最终，实现光谱修复，并解决染料之间竞争吸附的问题。. 总而言之，通过光阳极活性层“原位精准修复”提高光俘获能力的方法和增效机制有助于光电转换效率进一步提高，该项目的顺利完成将为DSSCs光俘获增效研究提供理论依据，为高效率、低成本太阳能电池制造提供技术支撑。