三维连通网络结构氧化锌基染料敏化太阳能电池及其机理研究

It is one of the important approaches for high efficient dye-sensitized solar cells (DSSC)to enhance charge transfer and collect speed and shorten energy loss induced by carrier recombination in transport process. In this work, three-dimensional (3D) interconnected ZnO networks are prepared by a simple evaporation-induced-assembly method and form 3D photoanode. 3D interconnected networks with large specific surface area and excellent connectivity for the photoanode in DSSC are used to solve high-effective light harvesting and reducing electron-hole recombination, which are the key issues for increasing photocurrent and achieving a high solar energy conversion efficiency. .Herein, we construct new design models and experiment methods for 3D interconnected networks and its photoanode, gain structure-controllable 3D network solar cells and explore the influence of microstructure to light-harvesting, carrier transport and photovoltaic properties, elucidate interior charge transport mechanism and develop corresponding new-type cell materials and prototype devices, which will find a new way to research and develop high efficient, low-cost solar cells.

提高电池内部电荷传输与收集速率，减少传输过程中载流子复合引起的能量损耗是进一步提高染料敏化太阳能电池(DSSC)光伏特性的必要措施之一。本项研究拟采用一种蒸发诱导自组装法于较低温度（低于250℃）在透明导电(TCO)衬底上直接制备三维连通网络结构氧化锌膜，形成相应的光阳极。通过在DSSC电池中引入三维连通网络结构，利用其高比表面积和良好的连通性，解决DSSC电池中高效率光捕获和减少电子空穴对复合的关键问题，达到增大光电流、提升电池光电转换效率的目的。本项目提出并建立三维连通网络结构及其DSSC电池工作电极的模型和实验方案，获得基于结构参数可调的三维连通网络结构的DSSC电池；探索三维连通网络结构微观结构对光捕获、载流子输运与电池特性的影响，分析其DSSC电池内部的电荷传输机理，得到新型DSSC电池材料和原型器件。这为高效、低成本DSSC电池的研发与应用探索了一条新路。

寻找新一代更廉价、更高效光伏技术是太阳能利用一个永恒命题。钙钛矿太阳能电池是近5年出现的光伏技术,目前报道光电转换效率（PCE）已超20%，远超其他类型新概念太阳电池，且仍有很大提升空间。项目组经过三年不断努力，在蒸发，旋涂和液相制备结构方面取得一定结果，分析了纳米结构参数和光行为依赖关系。钙钛矿太阳能电池热潮掀起，我们在已有染料敏化太阳能电池（DSSC）研究基础上，摸索了CH3NH3PbI3结构的液相合成，并组装纳米结构钙钛矿电池。主要包括：.（1）CH3NH3PbI3的制备及mp-TiO2电池。用两步原位液相法制备了CH3NH3PbI3。为验证CH3NH3PbI3性能，旋涂中孔TiO2层（mp-TiO2），并组装成 CH3NH3PbI3电池，经过优化, 最高CH3NH3PbI3太阳能电池PCE达到12.5%。.（2）蒸发得到ZnO纳米结构及太阳能电池。蒸发醋酸锌在ZnO种子层上获得ZnO纳米结构。通过控制反应温度，时间，源衬距离和升温速率，可控制醋酸锌分解程度和ZnO微观结构。经过比较发现，5oC/min，得到ZnO纳米结构膜分布均匀，颗粒间有一定间距，适合CH3NH3PbI3负载。组装成电池PCE达到8.57%。.（3）旋涂浆料得到ZnO及ZnO/TiO2双层中孔膜（mp-ZnO/TiO2）。旋涂ZnO浆料得到mp-ZnO层，再在其表面旋涂TiO2浆料，形成mp-ZnO/TiO2层。mp-ZnO/TiO2电池Voc和FF比mp-ZnO电池高25.4%和60%。(NH4)2TiF6后处理，PCE 也从10.9%提高到12.5%。.（4）ZnO/TiO2/ZnO致密层太阳能电池。TiO2/ZnO/TiO2(TZT)作为致密层与 TiO2与 TiO2(T), ZnO (Z) 及TiO2/ZnO(TZ)致密层组装电池效率按照ZnO< TiO2< TiO2/ZnO< TiO2/ZnO/TiO2递增,TZT致密层太阳电池PCE和填充因子分别为最高为12.6%和70%。.综上，三年来项目组在ZnO相关纳米结构的制备，光透射，光吸收方面有一定的了解，并在太阳能电池特别是钙钛矿电池组装，光伏特性分析，载流子的输运及其界面复合上面作了大量的研究工作，也取得一定的结果。但还有一些问题需要进一步探索。