基于多层光子晶体的染料敏化太阳能电池光阳极的设计构筑及结构性能关系研究

One of the most focused research areas on dye-sensitized solar cells (DSCs) is to enhance the photovoltaic conversion efficiency by optimization of the photoanode structure. We propose a novel photoanode structure of nanocrystalline TiO2 film/nanocrystalline TiO2 photonic crystal multilayer. This structure will reflect and reuse the transmitted light in whole wavelength range, due to the combination of the photonic bandgaps of the photonic crystal multilayer. Additionally, these photonic crystals are composed of nanocrystalline TiO2 and have high surface area. They themselves have relatively good light absorbing ability after adsorption of dye. More importantly, the intimate contact between the nanocrystalline TiO2 film and the photonic crystal and between the adjacent photonic crystal layers produces resonant states that propagate along the film plane. This effect elongates greatly the propagating path of the light wave in the photoanode,further improving the photovoltaic conversion efficiency. This project will explore the design and the fabrication of this photoanode structure. The influence of the combination of bandgaps on the reflecting behaviors and the effect of layer number of the void spheres in the photonic crystals on the appearance of resonant states will be studied. The relationship between the photoanode structures and their performance will be researched. This project will provide theoretical and practical guide for fabrication of DSC with high photovoltaic conversion efficiency.

通过改善染料敏化太阳能电池(DSC)的光阳极结构来提高其光电转换效率是当前的研究热点之一。本项目提出一种新颖的纳晶TiO2膜/多层纳晶TiO2光子晶体的光阳极结构，该结构由于各层光子晶体能带隙的有效组合，对全波段的透射光有较好的反射效果，使这些光被重新利用。同时，该结构中光子晶体由纳晶TiO2构成，有较大的比表面积，因此在吸附光敏染料之后自身也有较好的光子捕获性能。另外，该结构中纳晶TiO2膜与光子晶体之间以及相邻光子晶体之间紧密接触，从而在多个界面上产生沿着膜平面方向传播的谐振模，大幅地增加光子在光阳极中的传播路程，能进一步地提高DSC的光电转换效率。本项目将探索该结构光阳极的设计及可控的制备方法，研究不同光子晶体组合对透射光的反射效果以及光子晶体空心球层数与谐振模的产生之间的关系，探究相应光阳极结构对电池光伏性能的影响，为制备具有高光电转换效率的DSC提供理论和实践依据。

染料敏化太阳能电池(DSSC)由于应用范围广、光电转换效率高、成本低等特点被认为是极具潜力的新型太阳能电池之一，其中对电极作为DSSC中的三大构成部分之一，其性能的优劣直接影响着DSSC的光电转换效率。目前常用的对电极为Pt电极，但是由于Pt价格昂贵，限制了DSSC的广泛应用。本项目研究制备新型导电聚合物反蛋白石并将其作为对电极应用于DSSC中，以替代昂贵的铂电极。. 采用新颖的气液界面化学氧化聚合法制备导电聚合物反蛋白石，首次以漂浮在水气界面的三维胶体晶体为模板，突破了气液界面只能制备2D结构的限制，得到了高质量、表层纳米碗阵列导电聚合物反蛋白石。该方法中，首先将聚苯乙烯(PS) CC浮于吡咯或者苯胺溶液表面，加入氧化剂聚合从而使导电聚合物填充于CC结构内部，最后溶掉PS微球而得到导电聚合物反蛋白石材料。采用ATR-FTIR、SEM、UV-vis-NIR、CA等对PPy 反蛋白石进行结构、形貌和光学性能表征，结果表明乙醇的加入大大改善了CC在水溶液中的浸润程度，在4%v/v乙醇浓度下，PPy 反蛋白石层数和所使用CC层数一致，而表层不被覆盖；该方法亦适用于聚苯胺反蛋白石的制备。. 在气液界面聚合法中通过氧化剂/苯胺的摩尔比调整，首次制得了聚苯胺反蛋白石/纳米纤维网络结构的Janus膜。该膜上层为具有规整开放孔道结构的反蛋白石,下层为聚苯胺纳米纤维阵列。纳米纤维为实心与空心结构的混合物，另外纳米纤维的直径随着氧化剂/苯胺摩尔比的增大而增大。该材料独特的结构使其有望在DSSC、传感器及催化等领域获得较好的应用。. 通过对PPy 反蛋白石进行掺杂，将其作为对电极应用在DSSC中。通过对DSSC进行IV测试得到DSSC的光电转换效率(PCE)，结合EIS分析影响DSSC PCE的因素。采用对甲苯磺酸掺杂的PPy 反蛋白石作为对电极的DSSC的光电转换效率达到6.61%，为相应铂电极DSSC的91.3%，说明该材料有望用于替代Pt材料作为DSSC的对电极。