碱土离子掺杂染料敏化太阳电池稳定性机理的研究

染料敏化太阳电池是一种新型薄膜电池，其生产工艺相对简单，原材料丰富，易于规模化生产，具有良好的应用前景。如何进一步提高其稳定性和转换效率是关乎染料敏化太阳电池发展的重要课题。本项目在现有工作的基础上，采用改进的溶胶-凝胶方法合成可控形貌和尺寸的碱土离子（Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+）掺杂纳晶TiO2、ZnO半导体材料，探索碱土离子掺杂纳晶薄膜中缺陷态对半导体能带结构和电极界面性能的影响规律，建立纳晶TiO2、ZnO半导体的掺杂模型，考察染料敏化太阳电池中光生电子在掺杂纳晶薄膜内部产生、输运及复合等微观过程，揭示稳定高效的太阳电池光电性能与碱土离子掺杂间的影响关系及其作用机理等。本项目研究可望获得电荷传输快、界面复合小并且具有独特结构的碱土离子掺杂纳晶半导体多孔薄膜电极，进而制备出转换效率高、性能稳定的染料敏化太阳电池。

染料敏化太阳电池（DSC）通过制备工艺改进和新材料探索，其光电转换效率已超过13%，显示其良好应用前景。作为DSC关键材料的纳米TiO2多孔薄膜电极特性直接影响表面染料吸附以及薄膜内电子传输，并影响电池效率及稳定性。常采用异价掺杂、表面修饰等方法优化半导体薄膜的理化性质，提高薄膜内光电子传输以改善电池的光电转换效率。.本项目研究从改善电池稳定性出发，采用改进的溶胶-凝胶方法制备碱土离子掺杂纳米TiO2染料敏化太阳电池，通过碱土掺杂制备纳米TiO2半导体材料尺寸可控，发现掺杂电池能有效提高DSC的长期连续抗紫外稳定性。本项目详细分析掺杂纳米TiO2半导体界面微结构影响电池性能和长期稳定性，系统研究掺杂电池内部微观电子传输、复合动力学过程以及电池界面稳定性影响机制等。通过深入研究掺杂电池光热条件和电解质中离子等作用机理，并对电池界面稳定性的可能机制展开相关研究，阐明掺杂引起纳米TiO2缺陷态和能级结构的影响，获得电池内部微观电子动力学参数与系列电解质组成的对应关系，尝试共掺杂和下转换拓宽光谱改进DSC性能的可能途径。.本项目主要基于Mg2+掺杂纳米TiO2电池研究电极材料及界面稳定性机理，实验发现Mg2+掺杂纳米TiO2电池紫外老化90天后电池光电转换效率基本保持不变，相比较紫外老化不超过20天的常规不掺杂纳米半导体太阳电池，阻抗实验表明掺杂TiO2中电子传输电阻减小，且掺杂TiO2/电解质界面跃迁电阻和界面电容稳定。在此基础上，选取界面性能稳定的Mg2+掺杂电池，从掺杂纳米TiO2电极和电解质角度研究暗电流抑制剂、电解质阳离子、大体积离子液体离子等从半导体表面脱附或者被消耗对界面微结构和电池的性能影响机制，建立一个基于半导体薄膜/电解质界面的简单模型，此项研究提出分子水平探索界面微观结构思路，这些工作必将对DSC的研究与开发应用有所促进。