基于新型生物分级构造光子晶体的高效染料敏化太阳电池研究

Low efficiency of light capture, transmission slow electrons in the TiO2 semiconductor thin film, interface carrier recombination rate and other issues, to carry out for the traditional sensitized solar cells (DSSCs) based on low-cost the DSSCs research significance of the photonic crystal material. New functional materials with shape-controllable,size-tunable has been successfully synthesized whith the multi-morphology, size and dimension of biomaterilas. The project focuses on research and development has multispectral optical absorption of highly ordered photonic crystal structure to solve key technical problems in non-smooth hydrophobic interface convective self-assembly of long-range order photonic crystal, controllable pore size changes and a good ohmic contact between the photonic crystal reflective layer and efficient electron transport layer (TiO2 stacked layers of the ball); inhibit interface carrier recombination, and enhance the light scattering, the nature of the film surface of the regulation of interface layer configured conducive carrier transporting photoanode . Study of new biomorphic photonic crystal structure with the different morphology TiO2 technology, suitable for industrial production of DSSCs photonic crystal with independent intellectual property rights on the the electrode preparation of technical / TiO2 nano the accumulation ball photoanode and efficient DSSCs battery Preparation technology.

针对传统的染料敏化太阳电池(DSSCs)中光捕获效率低、电子在TiO2半导体薄膜内传输慢、界面载流子复合率高等问题，开展基于光子晶体的高效低成本DSSCs研究意义重大。本项目基于"遗态材料",重点研究开发具有多谱段光子吸收、高度有序生物分级构造的光子晶体结构新型功能材料，解决在非平滑疏水界面对流自组装长程有序光子晶体的关键技术难题，通过实现晶体膜孔尺寸的可控变化而实现光子晶体反射层与高效电子传输层之间良好的欧姆接触；抑制界面载流子复合，增强光散射,调控界面层薄膜面性质，构造有利于载流子传输的光电阳极。通过研究控制新型生物分级构造光子晶体/优化不同形貌TiO2复合材料在FTO上良好接触等关键技术，获得适合工业化生产的DSSCs对电极制备技术，获得具有自主知识产权的生物分级构造光子晶体/优化不同形貌TiO2球光阳极和高效DSSCs电池的制备技术。

光子晶体具有周期性结构和光子禁带，可操控光子在固体中的传播。光子晶体的制备方法多种多样，但其成本高，效率低，难以实用。虽然生物模板独特的微观结构为制备不同形貌的光子晶体提供了新途径，但是制备高保真的基于生物模板的光子晶体，仍存在很大挑战。.本项目从制备基于高保真基于生物模板的光子晶体入手，采用磁控溅射、水热处理等方法，实现了光子晶体的快速制备，并将其应用于染料敏化太阳能电池中。主要研究内容和结果如下：. （1）研究了不同类型的遗态生物，探究了以蝴蝶翅膀为代表的遗态材料的微观精细分级结构与结构成色之间的关系，以期制备出优异的具有多形态、多尺度和不同维数的光子晶体结构的光电功能材料；. （2）独创性地提出了一种基于磁控溅射辅助技术制备遗态功能氧化物半导体光子晶体的方法：利用蝴蝶翅膀作为生物模板，采用磁控溅射的方法，得到具有精细分级结构的氧化物半导体光子晶体纳米结构。这种方法是一种在蝴蝶翅膀上人工制备类多米诺光子晶体结构的全新方法，而类多米诺光子晶体是很难通过传统的技术制备。. （3）发展了一种低成本高效率制备“基于水热处理的化学法”制备遗态功能氧化物半导体光子晶体的方法；通过选择不同的前驱体、调控浓度、优化工艺，在一定程度上得到了保真度较高的蝴蝶翅膀的复制纳米颗粒。为基于生物模板的光子晶体的低成本制备探寻出了一条新的合成路径。. （4）设计合成了不同结构形貌的TiO2高性能光电功能材料，探求染料敏化太阳能电池成本低，适合民用化的光电阳极该光电材料；. （5）将制备的基于生物模板的TiO2和ZnO等光子晶体及不同结构形貌的氧化物应用于染料敏化太阳能电池光阳极之上，得到8.7%的最高光电转换效率。该光电转换效率，特别是光电流的增大，主要是由于该独特光阳极的光散射效应。通过对光的多级操控，得到器件较低的界面传输阻抗、电子迁移时间及较长的电子寿命、电子扩散系数、电子扩散长度及电荷收集效率和卓越的光电转换效率。