柔性复合膜电极的制备、构型优化及其高效染料敏化太阳能电池性能研究

Flexible dye-sensitized solar cell (DSSC) featuring with low-cost, light-weight, realizable roll-to-roll production and curving/cutting process, will be the necessary developed current of solar cell in the future due to their more extensive applications such as scutcheon, caution suit and electronic products as compared with the conventional conductive glass-based DSSC. In order to solve the key problems existing in the flexible soalr cell research field, researches on fabrication and structure optimization of composite film electrode for the flexible DSSC with high conversion efficiency are proposed. To obtain the key materials and integration technique for the flexible DSSC with self-owned intellectual property rights so as to meet the need of its large-scale production, the present project will make in-depth researches as follows: 1) Exploring more operative, low-cost and high efficient composite film electrode material and its preparation method so as to obtain low-dimension nanostructured materials (such as nanotube/wire/flake or their hybrid) and hierarchical structures fabricated by the above-mentioned nanostructures through controlling the synthetic conditions; 2) Developing low-temperature preparation methods of composite film electrode fabricated by the above hierarchical structures so as to suit for the large-scale production, and obtaining flexible (such as metal, plastic or paper-based) composite film electrodes with low charge recombination, relatively high specific surface area and light scattering. 3) Controlling the interface kinetics of the solar cell by analyzing the influencing factor of flexible solar cell's reaction kinetics and its performance parameters so as to fabricate flexible DSSC with novel structure and high photovoltaic conversion efficiency.

柔性染料敏化太阳能电池(DSSC)具有成本低、重量轻、可实现卷轴式生产及可制成可卷曲和剪切的电池，用于标牌、警示服及电子产品等优点，极大地扩展了其使用范围，是未来DSSC发展的必然趋势。针对柔性DSSC研究领域中存在的关键问题，本项目提出通过复合膜的制备及构型优化获得高效柔性电池的技术构想，并从以下几个方面开展深入研究，以期获得具有自主知识产权的柔性电池的关键材料及其集成技术：1)探索更有效、廉价和高效的复合膜电极材料及其制备技术，获得低维纳米结构(如纳米管/线/片或其混杂物)以及由其形成的分等级结构材料。2)发展适于规模化生产的复合膜电极的低温制备技术，通过构型优化得到具有较高的光散射性和比表面积、低电荷复合的金属、塑料或纸基复合膜电极。3)研究柔性电池的反应动力学及其决定因素的变化规律，并与电池的宏观参数等结合，实现对电池的界面动力学的调控，从而构建具有新颖结构的高效柔性电池。

自1991年报道染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电转换效率超过7%以来，DSSC成为太阳能利用研究最活跃的领域之一，但是因其所采用的导电玻璃存在较重、易碎和成本高等缺点而不利于推广与应用。因此，采用金属或导电塑料等基底构建柔性DSSC成为该领域的研究热点之一。其中，导电塑料所含的掺铟SnO2(ITO)导电层和聚合物(如聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)，或聚乙烯萘酸酯(PEN)等)的热和化学稳定性均较差(塑料高于150℃时会分解)，因此低温制膜是塑料基DSSC的关键。金属基底(如Ti片等)虽耐受高温，但存在不透明和入射光从对电极照射会导致电解质光吸收等问题影响其光伏性能的改善。. 鉴于柔性DSSC的独特优势和存在的问题，本项目围绕高效柔性DSSC关键材料的设计、合成及其集成技术开展研究。通过膜电极的组成、微/纳结构和层型结构优化，开发了一些具有高比表面积和捕光效率、低电荷复合的钛片基复合膜或双(多)层膜电极及其制备技术，以及适用于塑料基底的无粘结剂浆料及其复合膜电极的低温(<150oC)制备技术。基于分子设计与合成，探索了不对称锌酞菁衍生物的构-效关系，且利用有机染料和非对称锌酞菁吸收光谱的匹配互补特性基本实现了共敏化DSSC的全色段(400-800 nm)光谱响应，为替代昂贵的钌联吡啶类染料和制备宽光谱响应、高效、廉价和环境友好的DSSC提供了新的思路。研发了3类适于塑料基或钛片基DSSC的不含I2的离子液体电解质或凝胶电解质，避免了I2的吸光和腐蚀性等缺陷，具有流变性好、操作简便、无挥发和腐蚀性等特点，为柔性DSSC的规模化生产和长效稳定性提供了坚实的技术保障。. 构建的FTO玻璃基DSSC的效率为6.61~8.83%；钛片基DSSC的效率为5.42~7.79%；塑料基DSSC的效率为4.32~6.58%。其中，通过组成和层型结构优化将纯板钛矿DSSC效率提高到了7.85%，远高于纯板钛矿DSSC的文献最高值(5.97%)，也证明了长期未受关注的板钛矿在钛片基DSSC领域具有潜在的应用前景。此外，采用小尺寸TiO2纳米粒子为“纳米胶”配制的无有机粘结剂浆料适于在导电塑料基底上低温(<150oC)制备复合膜电极，为新型、高效和廉价的塑料基DSSC的关键材料及其制备技术的探索提供了新的思路。