多酸调控染料敏化太阳能电池的光电转换性能研究

Since the silicon_based semiconductor solar cells are fabricated with high materials cost and complicated production process, research on the dye-sensitized solar cells (DSC) have received considerable attention.polyoxometalates (POM),a type of metal-oxo cluster framework anions containing transition metals of molybdenum, tungsten and vanadium, have special structures and fine physicochemical properties. POM are of electron acceptor with similar energy band to metal oxide. This project deals with the research on the mechanism of electron transfer and recombination based on the design and fabrication of POM/titanium dioxide/phthalocyanine DSC, and obtains key parameters of electron lifetime, electron diffusion length and mobility.Thus,the proposed "shallow electron trap model" could be proved by these key parameters, which provides theoretical and experimental bases for solving critical problems of POM-modified light-to-electric conversion performance. These cross-research results of inorganic chemistry and physical chemistry will be of considerable significance for the development of practical DSC.

由于硅基半导体材料为主的太阳能电池制作工艺复杂、生产成本高，所以染料敏化的半导体太阳能电池(DSSC)的研究成为最颇受关注的前沿领域。多酸是一类骨架结构中含Mo、W、V等过渡元素的多金属氧簇阴离子，具有确定的结构和特异的物理化学性质.多酸是电子接受体，并且具有与金属氧化物类似的能带结构。本项目主要从设计组装"多酸/TiO2/酞菁染料" 体系太阳能电池入手，研究该体系中的电子传输和复合机制。利用综合的实验方法来获取电子寿命、电子扩散长度、界面间电子迁移几率等重要参数和信息，以建立和证实我们提出"浅电子陷阱"模型，为解决多酸调控光电转换性能的关键科学问题提供理论和实验依据。这些无机化学和物理化学交叉的研究结果对开拓和发展多酸在染料敏化半导体太阳能电池中的实际应用具有重要意义。

太阳能作为一种纯净的可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优势。考虑到低成本和可实现高转换效率的优势，染料敏化的半导体太阳能电池已经成为当今太阳能利用研究中引人注目的前沿领域。本项目旨在解决利用多酸调控酞箐染料敏化太阳能电池性能中的关键科学问题。首先制备了多酸/TiO2复合光阳极，进而研究了不同多酸种类和含量对TiO2光电性能的影响，通过光电流、I-V曲线和电化学阻抗谱测试考察了TiO2光阳极和多酸/TiO2复合光阳极的光电性能、电子转移和复合性质。研究发现，多酸的种类和含量对光阳极光电性能具有显著的影响。另外，设计组装了以多酸修饰的TiO2为光阳极的酞菁染料敏化太阳电池器件，通过I-V曲线、电化学阻抗谱、开路光电压衰减曲线等测试获得了光电转换效率、界面间电子迁移机理、光生电子复合几率等重要参数和信息，揭示了多酸的引入对电池光伏性能的影响，合理解释了多酸的“浅电子陷阱”假设和作用机理。通过研究多酸/钙钛矿复合物 (PW12/CH3NH3PbI3)的光电导性质，从实验上证明了多酸的引入明显的抑制了钙钛矿光生电子-空穴的复合，从而提高了钙钛矿的光电转换性能。首次发现多酸能够诱导奥斯瓦尔德熟化过程从而促进钙钛矿晶粒生长。总之，本项目的研究结果不仅达到了利用多酸引入而提高酞菁染料敏化太阳能电池性能的目的，而且为进一步提高染料敏化太阳电池的性能提供了设计思路和实验依据。