基于元素掺杂及微结构控制的pn-型DSSCs光阴极NiO基薄膜光电性能优化研究

The theoretical photovoltaic conversion efficiency of pn-type dye-sensitized solar cells can be as high as 43%, thus the development potential for the cells is very great. However, the photovoltaic conversion efficiency of the cells reported from literatures was still very low. The main obstacles are the poor photoelectric properties (mainly refer to the transmission property, the conductive property and the dye-adsorption capacity) of the photocathode NiO-based film. Because of the particularity of energy band structure of NiO, the research programs of elements doping are proposed to enhance the comprehensive performance of the transmission property and the conductive property. Moreover, the microstructure (mainly refers to microporous structure and preferred orientation) of the photocathode NiO-based film severely affects the dye-absorption capacity, so the research program of microstructure control is proposed to optimize the dye-absorption capacity, and then to enhance the effective absorptivity for solar light. In this project, the effects of the doping elements on the photoelectric properties of NiO thin film will be systematically studied to determine the doping program and further clarify the mechanism of the effect of doping elements on the photoelectric properties. The effect of the preparation parameters on the microstructure of the NiO-based film will be systematically researched to realize how the microstructure can be controllably prepared, and then to elucidate the mechanism of the influence of microstructure on the dye adsorption capacity.

pn-型染料敏化太阳能电池的理论光伏转换效率高达43%，极具发展潜力，但目前所报道的该类电池转换效率极低，其光阴极NiO基薄膜光电性能(在此指光透过性能、染料吸附性能和导电性能)较差是极为严重的制约因素。鉴于NiO能带结构的特殊性，本申请提出元素掺杂的研究方案，以期实现其光透过性能和导电性能的协同优化；鉴于工作电极的微结构(主要指微孔结构和结晶择优取向状态)直接决定其对染料的吸附能力，本申请提出控制NiO基薄膜微结构的研究方案，以期实现其染料吸附性能的优化，从而达到提高其对太阳光有效吸收的目的。本项目将系统研究元素掺杂对NiO基薄膜光透过性能和导电性能的影响规律，以期确定最佳元素掺杂方案，并进一步阐明掺杂元素对薄膜性能的影响机理；将通过对NiO基薄膜微结构形成条件的系统研究，来实现对其微结构的设计与控制，揭示微结构对染料吸附行为影响的规律与机制。

染料敏化太阳能电池(DSSCs)是近20年来新发展起来的一种低成本太阳能电池，被誉为最具应用前景的太阳能电池之一，但迄今所研发的DSSCs的光伏转换效率仍较低，严重制约了其应用。pn-型染料敏化太阳能电池因其理论转换效率较高受到了广泛关注，但是其实际转换效率极低，其中，该电池光阴极NiO基薄膜的光电性能较差是极为严重的制约因素。本项目首先提出了一种基于溶胶-凝胶技术的快速热解方法。用这种方法制备的NiO薄膜光电性能良好；其次，分别研究了K、Li、Cu、K-Cu共掺的NiO薄膜的溶胶凝胶法制备及其掺杂对薄膜光电性能的影响；再次，研究了不同分子量的PEG造孔剂对多孔NiO薄膜孔隙的影响；最终，通过对薄膜制备和热处理参数的调控，实现了具有较好光电性能的NiO薄膜的制备。研究过程中，分析了沉积过程和热处理过程对NiO薄膜择优取向、结晶性能及光电性能的规律与机制。具体重要的研究结果如下：.1.提出了一种基于溶胶-凝胶技术的快速热解方法。研究发现，当基底温度为525°C时，用这种方法制备的NiO薄膜的透过率最高（75%），电阻率最低(223.9cm)。.2.基于溶胶-凝胶法研究了K掺杂浓度对NiO薄膜光电性能的影响。研究表明，随着K掺杂浓度的增加，薄膜的残余应力由残余压应力转变为残余压应力。当x=0.06时，薄膜的电阻率最低，为23.7cm。.3.在基于脉冲直流磁控溅射制备NiO薄膜的过程中，NiO薄膜的择优取向会随溅射功率的增加而发生从(200)向(111)的变化，且薄膜的电阻率和透过率都随着溅射功率的增加而降低。.4.研究了溶胶-凝胶法制备过程对NiO薄膜的结晶生长动力学的影响，计算了描述晶粒生长动力学的生长时间指数n和晶粒生长激活能Q。研究表明，不同退火温度下得到的激活能大于不同热解温度下的激活能，这说明了通过退火使NiO晶粒的生长，比热解条件下NiO晶粒的生长需要更多的能量。.5.基于溶胶-凝胶法研究了不同分子量的PEG以及醋酸镍与PEG质量比对所制备的NiO薄膜多孔的影响。其中，以PEG2000 为造孔剂、质量比为1:0.4 的薄膜中孔洞最多，孔也最大。