螺旋二芴的化学掺杂及高效柔性固态太阳能电池的制备研究

Flexible dye-sensitized solar cells (DSCs), regarded as the next general solar cells, have attracted great attention recently due to their low cost, flexibility, and short pay-back time. Up to date, the leakage caused by liquid electrolytes of DSCs is still unsolved, which greatly hinders the application of flexible DSCs. Solid-state electrolytes for flexible DSCs have also been intensively studied to replace the liquid electrolytes to improve the long term stability of DSCs. However, the low mobility of holes in those solid-state electrolytes leads to an increased recombination at the interface between TiO2 and electrolyte, and greatly impairs the photovoltaic performance of flexible DSCs. In this proposal, spiro-fluorene hole conductor materials will be chemically doped to be used in flexible solid-state DSCs (SSDSCs). The effects of doping on the mobility of fluorene materials will be studied. Electrochemical impedance spectroscopy and intensity modulated spectroscopy will be adopted to scrutinize the effect of doping on the carrier recombination in the flexible SSDSCs. To further improve the efficiency of flexible SSDSCs, the nanostructured photoanode will be also optimized. The proposal is quite important for the application of flexible DSCs.

柔性染料敏化太阳能电池具有低成本、便携、柔性等特点，被誉为下一代太阳能电池。目前柔性染料敏化太阳能电池实用化的最大问题是液态电解质挥发引起的长期稳定性下降。固态电解质的应用有望解决液态电解质的挥发引起的长期稳定性下降问题，但其较低的载流子迁移率以及其与氧化钛所形成的界面上载流子复合的增加导致了电池光电转换效率的急剧下降。本项目将采用螺旋二芴基空穴传输材料作为柔性固态DSC的电解质，通过化学掺杂的方式研究化合物的掺杂对该材料载流子迁移率的影响，采用电化学交流阻抗和强度调制光谱研究化学掺杂对螺旋二芴电解质/氧化钛界面上光生电子复合的影响，同时还通过调整与优化氧化钛薄膜内部结构以提高固态电解质在薄膜中的渗透并提高光生电子的收集效率，最终获得高效率、长期稳定的柔性固态太阳能电池。项目的研究成果对柔性固态太阳能电池的研究和产业化有着十分重要的科学价值和指导意义。

基于纳米结构的太阳能电池是下一代太阳能电池的希望，这其中的代表是染料敏化太阳能电池，尤其是柔性染料敏化太阳能电池。传统的柔性染料敏化太阳能电池所采用的液态电解液对于器件的封装及长期稳定性存在着诸多不利的影响因素。螺旋二芴空穴传输材料取代液态电解液进行固态敏化太阳能电池制备是其产业化的必经道路，但螺旋二芴材料本身价态的不稳定以及载流子的传导限制了器件的高效率。本项目主要针对以上问题，拟通过开发化学掺杂的螺旋二芴、合理的氧化钛纳米膜，以适用于高效率、稳定的柔性敏化太阳能电池。其主要过程包括：研究钴（III）配体化合物以及金属锂离子对于螺旋二芴的掺杂效果；可控二氧化钛纳米薄膜的制备；钙钛矿材料取代染料进行高效率固态电池的制备以及柔性敏化固态太阳能电池的制备等。.首先进行了钴（III）配体化合物（FK102）对螺旋二芴掺杂的研究：通过紫外可见光谱、电化学等方法确定了钴配体化合物对于螺旋二芴能够起到十分有效地掺杂，进而提高其空穴传导率，掺杂的原理主要是钴配体化合物和螺旋二芴的HOMO能级存在一定的能级差，当二者接触时，螺旋二芴中胺上的自由电子和附近苯环上的电子很容易转移到FK102上，从而增加了螺旋二芴中空穴的浓度；其次，研究了双三氟甲烷磺酰亚胺锂对于螺旋二芴的掺杂，紫外可见光谱和核磁共振等方法确定了锂盐中的锂能够在氧气存在的条件下能夺取螺旋二芴中的一个电子，从而与氧生成过氧化锂，增加了螺旋二芴中空穴的浓度，进而提高其电导率。课题开发了基于二维片状的氧化钛粉体来进行柔性敏化电极的制备，研究结果发现，该二维片状氧化钛粉体制备成薄膜后具有很好的机械性能，同时纳米颗粒之间有很好的连接；将二维片状材料与纳米氧化钛粉体混合，可以制备出光电转换性能优异的柔性电极。课题还开发了基于纳米线阵列的高效率固态钙钛矿敏化电池，研究了纳米线的形貌对于电池性能的影响。基于以上研究，项目组开发了基于纳米线和螺旋二芴化学掺杂的柔性钙钛矿敏化固态太阳能电池，效率超过了8%。项目的研究成果对于下一代高效率太阳能电池的发展提供了重要的参考意义。