基于钴基电解质的高效染料敏化太阳电池研究

The larger absorption length of titania film than the diffusion length of carriers and the mass transport limitation of redox couples are regarded as two key scientific problems in dye-sensitized solar cells with cobalt-based electrolyte. In this project, we propose to develop cobalt complexes with new structures and gradient titanium films to regulate the charge transfer kinetics at the titania/electrolyte interface and improve the transport of elelctrolyte. Further device optimization will be taken to enhance the power conversion efficiency of cobalt-based cell. By carrying out deep research in different aspects of material synthesis,structure-property characterization, photovoltaic device preparation and device physics analysis, we will clarify the influence of the structure of key materials on the microscale transport properties of redox couples and charge transfer kinetics at the titania/electrolyte interface, providing theoretical guidance for furture rational material design.

本项目针对钴基染料敏化太阳电池中薄膜吸收长度大于载流子扩散长度和氧化还原电对传质受限这两个关键性科学问题，拟通过对钴配合物进行分子剪裁和发展具有梯度结构的氧化钛薄膜电极来实现界面电荷转移动力学的调控并有效改善电解质的输运，进而通过器件优化获得钴基染料敏化太阳电池功率转换效率的提升。从材料合成、结构-性能表征、光伏器件制备及器件物理分析等层次展开深入的研究，阐明染料敏化太阳电池关键材料结构对微尺度氧化还原电对输运特性和纳晶界面电荷转移动力学的影响规律，为更理性的材料设计提供理论指导。

在过去的二十年间，基于碘离子/碘三离子的电解质以其在介孔薄膜中良好的离子质量传输、快速有效的染料再生，以及缓慢的二氧化钛/电解质界面电荷复合动力学等优势，一直是高效染料敏化太阳电池的首选。但是，在碘基染料敏化太阳电池中，参与染料再生的是碘离子/碘负自由基，而决定电解质费米能级的是碘离子/碘三离子，碘离子/碘负自由基的势电位相对于碘离子/碘三离子有上百毫伏的正移动，从而造成电池光电压的损失。因此，发展非碘电解质器件对取得染料敏化太阳电池的性能突破具有重大意义。. 本项目可控合成纳晶二氧化钛、纳晶氧化钛亚微球团聚体和一维二氧化钛纳米棒，并将其用于制备具有梯度分级结构的介孔二氧化钛薄膜，揭示了在二氧化钛表面化学沉积金属氧化物和电解质组分调控对界面的电荷转移动力学特性以及器件光伏性能的影响规律，阐明纳晶二氧化钛薄膜结构与微尺度电荷输运特性及器件光电转换效率的内在联系。同时可控制备了具有多级结构的硫化钴、PEDOT基有机聚合物、三维掺杂石墨烯和硫化钴/石墨烯复合材料。阐明敏化太阳电池关键电池材料结构对电解质/电极界面电荷转移动力学和电极中微尺度电荷输运特性的影响规律。通过项目实施，获得了在采用钴基电解质条件下，染料敏化太阳电池9.0%的功率转换效率。基于本工作，有望通过进一步选择新型的宽光谱染料及合适的新型氧化还原电对，制备出更高效的染料敏化太阳电池。