基于p型光电极的染料敏化太阳能电池研究进展

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池是一种受到广泛关注的新型太阳能电池。根据电池的结构不同可以将其分为p型和p-n叠层型染料敏化太阳能电池。其中p-n型叠层染料敏化太阳能电池的理论光电效率可以达到43%,高于传统的基于n型TiO_2光阳极的染料敏化太阳能电池理论效率(30%),引起了科学界的高度关注。本文将总结基于p型光电极染料敏化太阳能电池(p型和p-n型叠层器件)的研究成果,重点介绍用于p型和p-n型叠层染料敏化太阳能电池的电极材料,染料及电解质的研究进展;同时总结目前该类电池发展中亟需解决的问题以及进一步提高器件效率的途径。     

双面进光太阳能电池透明对电极研究进展

近年来,太阳能电池（包括染料敏化、量子点敏化及钙钛矿太阳能电池）因其成本低、质量轻、效率高受到研究人员的广泛关注.双面进光太阳能电池是太阳光能通过光阳极以及透明对电极同时入射的器件,是近年来扩宽太阳能电池光利用率及能效以达到提高器件光电性能的主要手段,其中透明对电极的性能直接影响器件的背面进光效率,因此研究对电极对提高双面进光太阳能电池光电转化效率十分必要.本文针对传统对电极透光性低,成本高,光利用率低等问题,与双面进光的高光电转换效率以及低成本等特点对比,综合分析了透明对电极材料的选择及界面修饰改性等对双面进光染料敏化、量子点敏化及钙钛矿太阳能电池光电性能的影响及其应用前景.     

准固态染料敏化太阳能电池中电解质体系的研究进展

染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells)是新一代将光能转化为电能的重要能源转换装置。它具有低廉的材料和器件制作成本、较高的光电转换效率以及电池制作过程简单等诸多优点,拥有广阔的应用空间和巨大的潜在商业价值,因而吸引了广泛的研究关注。染料敏化太阳能电池主要由染料敏化的光阳极、电解质和对电极三个部分组成。其中,电解质作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分,其对离子的传导和扩散,以及促进染料再生的能力极大地影响着染料敏化太阳能电池的电荷传输和光电性能。本文聚焦于染料敏化太阳能电池准固态电解质体系,主要从聚合物凝胶电解质、有机小分子凝胶电解质和无机纳米粒子凝胶电解质三大方面综述讨论了该研究领域当前最新研究进展,并对其未来研究趋势进行了展望。     

p-型和pn-型染料敏化太阳能电池

针对 (1) p-型染料敏化太阳能电池(DSCs)存在的科学问题, 即光阴极染料的吸附量偏低和电池内部的暗反应比较严重和(2) pn-型DSCs存在的光阳极和光阴极不匹配等问题, 从电极、染料和电解质三个方面系统综述了p-型和pn-型DSCs的研究进展并分析了问题可行的解决方案, 最后对p-型和pn-型DSCs的发展前景进行了展望.     

TiO2纳米微球的制备及在染料敏化太阳能电池中的应用

以四氯化钛、盐酸为原料,制备出花状TiO₂纳米微球,利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等测试方法,对样品的结构和形貌进行了表征。为了提高TiO₂微球电池的光电性能,利用TiO₂微球作为反射层构造了双层结构的薄膜电极,结果表明,双层结构染料敏化太阳能电池在100 mW·cm^-2（1.5 G）光照条件下,短路光电流J_sc为17.64 mA·cm^-2,开路光电压Voc为0.74 V,填充因子FF为0.63和光电转化效率η为8.33%。相比TiO₂微球制备的太阳能电池,双层结构染料敏化太阳能电池光电转化效率提高至5.3倍。最后对电极中染料的吸附量、电极的光散射性能和电池的电化学阻抗做了进一步研究和分析,研究表明,双层结构电池增强光的捕获能力,从而提高光伏性能。     

全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿

介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park与Grätzel课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂, spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破.     

电荷分离型染料在固态染料敏化太阳能电池中的应用研究

染料敏化太阳能电池中的染料起到吸收光能和传导光生电子的作用,而染料的电荷分离状态能有效提高电子注入效率,抑制电荷复合,进而提高器件性能。本文以电荷分离(CS)型染料为敏化剂,采用spiro-OMeTAD为空穴传输材料制备了全固态染料敏化太阳能电池,分析了TiO_2光阳极膜厚的影响,当TiO_2光阳极膜厚为1. 2μm时,器件性能最优;探讨了染料结构对器件性能的影响,其中染料MTPABT-Pyc的器件性能最好,其光电流和效率分别为7. 38mA/cm~2和3. 06%。相比于电荷转移(CT)型染料MTPAcc,MTPABTPyc具有相近的捕光能力,但是其效率比MTPAcc (2. 64%)提高了16%。研究结果表明,CS型染料的电荷分离态对电荷复合的抑制和空穴的传输具有明显的优势。     

上转换发光在染料敏化太阳能电池中的应用

以水热和高温煅烧相结合的方法制备了掺Er³⁺的TiO₂上转换发光层,并将其组装在染料敏化太阳能电池(DSSC)中。通过XRD﹑荧光光谱﹑UV-Vis和电池的光电性能测试,分析了上转换发光层的发光机理及其加入后对染料敏化太阳能电池性能的影响。结果表明,上转换发光层的引入有效地提高了DSSC的光电性能,在80 mW·cm^-2红外光照射下最高光电转换效率达到了0.14‰,比未加上转换发光层的DSSC提高了160%。     

染料敏化太阳能电池中的敏化剂

染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型的太阳能电池。染料敏化剂的性能对DSSC的光电转换效率有重要的影响,要获得高的光电转换效率需要有高效、稳定的染料敏化剂。本文介绍了近年来染料敏化剂的设计合成,并讨论了各种敏化剂的优缺点及发展方向。     

MoS2/CNFs对电极膜厚对染料敏化太阳能电池性能影响

通过静电纺丝技术和水热法成功获得了碳纳米纤维负载二维层状硫化钼（MoS₂/CNFs）,将其作为对电极组装的染料敏化太阳能电池（DSSCs）表现出优异的电化学特性。在DSSCs制备过程中,对电极膜厚对电池性能有很大影响,所以本文重点探究了喷涂法制备的对电极膜厚对其组装的染料敏化电池光电性能影响,获得最佳对电极膜厚。实验结果表明当MoS₂/CNFs复合对电极材料膜厚为8 μm时,电池光电转换效率达到最大值7.78%。     

Dye-Sensitized Solar Cell Based on a Blend of Hyperbranched Poly(aryl-ether-urethane) Electrolyte with TiO2 Nanoparticles

Hyperbranched poly(aryl-ether-urethane) is reported in this work as an efficient polymer electrolyte for photovoltaic application. Along with KI and I₂ as redox carriers in nanocrystalline dye-sensitized solar cell (DSC), this polymer yielded an overall conversion efficiency of 4.1%, upon illumination with visible light. The fabricated cell results in stable device performing under thermal stress maintaining about 70% of its initial value for 2 days in the direct atmosphere without sealing.     

光电化学分解水电池的电极性能提高方法及光阴极研究进展

光电化学水分解电池能够将太阳能直接转化为氢能,是一种理想的太阳能利用方式. p-n叠层电池具有理论转换效率高、成本低廉、材料选择灵活等优势,被认为是最有潜力的一类光电化学水分解电池. 然而,目前这类叠层电池的太阳能转化效率还不高,主要原因是单个电极的效率太低. 本文介绍了几种提高光电极分解水性能的方法--减小光生载流子的体相复合、表面复合以及抑制背反应等,同时综述了国内外关于几种p型半导体光阴极的研究进展,如Si、InP、CuIn_1-x GaxS(Se)₂、Cu₂ZnSnS₄等. 通过总结,作者提出一种p-Cu₂ZnSnS₄(CuIn_1-xGaxS(Se)₂)/n-Ta₃N₅(Fe₂O₃) 组装方式,有望获得高效低成本叠层光电化学水分解电池.     

Controllable hydrothermal synthesis of nanocrystal TiO2 particles and their use in dye-sensitized solar cells

A simple method for the controllable hydrothermal synthesis of nanocrystalline anatase TiO2(nc-TiO2) particles involving the selection of suitable organic alkali peptizing agents is reported.A dye-sensitized solar cell(DSSC) with square-like nc-TiO2 particles with side lengths about 8-13 nm-prepared using tetraethylammonium hydroxide(TEAOH)-in the photoelectrode showed higher photovoltaic performance than two other DSSCs with square-like nc-TiO2 particles with side lengths about 7-10 nm-prepared using tetrabutylammonium hydroxide-or elongated nc-TiO2 particles with lengths about 18-35 nm and width about 10 18 nm-prepared using tetramethylammonium hydroxide(TMAOH)-in the photoelectrodes.When a scattering layer prepared from sub-micron size spheres or cone-like nc-TiO2 particles-synthesized using a higher concentration of TMAOH-was added on top of the photoelectrode fabricated from nc-TiO2 synthesized with TEAOH,the energy conversion efficiency of the DSSC was markedly increased from 6.77% to 8.18%.     

Effects of Nanocrystalline Porous TiO2 Films on Interface Adsorption of Phthalocyanines and Polymer Electrolytes in Dye-Sensitized Solar Cells

Summary: We have synthesized three kinds of titanylphthalocyanines with different crystal structures (TiOPcs; PcT2000R, PcT3000R, and PcT1100S) and analyzed their crystal structure by X-ray Diffraction (XRD), Fourier transfer IR (FT-IR) spectroscopy, and Transmission Electron Microscope (TEM). From experimental results, we have confirmed that PcT2000R was estimated to be alpha-form; PcT3000R was beta-form, and PcT1100S was gamma-form. Quasi-solid state dye-sensitized solar cell (DSSC) devices were prepared with a polymer electrolyte using TiOPcs as a co-adsorbent. The DSSC device using TiOPc has higher power conversion efficiency than without TiOPc, due to decrease of electron transfer distance by the interface adsorption between TiO₂ film and polymer electrolyte. Also, we have studied the effects of the crystal structures of TiOPcs on the property of polymer electrolyte and the performance of the DSSC device. The best result on power conversion efficiency was 7.13% in DSSC device using PcT3000R having its highest stability. The open-circuit voltage (V_oc) was 0.69 V, the short-circuit current density (J_sc) was 20.02 mA/cm², and the Fill Factor (FF) was 0.52. the addition of TiOPc as co-adsorbent is useful for improve to the performances of DSSC devices such as V_oc, J_sc, and power conversion efficiency.     

吸电子基团修饰的三联噻吩及其对纳晶TiO2电极的敏化

设计合成了吸电子基团(2氰-基-2-羧基乙烯基)修饰的三联噻吩3T-CCV,研究了它的光物理和光电化学性质.密度泛函计算证明,3T-CCV受光激发可有效地发生分子内电荷分离.研究表明,在模拟太阳光AM1.5(70 mW/cm²)照射下,以3T-CCV作为光敏剂的纳晶TiO₂太阳电池的光电转换效率达到3.25%.     

水热法可控合成二氧化钛纳米晶及其在染料敏化太阳能电池中的应用

本文报道了水热法可控合成二氧化钛纳米晶及其在染料敏化太阳能电池中的应用.选择合适的有机碱胶化剂,能很好地控制二氧化钛纳米晶的生长,形成不同形貌和粒径的锐钛矿型二氧化钛纳米晶颗粒.染料敏化太阳能电池光电性能测试结果表明,以四乙基氢氧化铵为胶化剂合成的边长为8～13nm的正方形二氧化钛纳米晶构成的光阳极光电性能优于以四丁基氢氧化铵为胶化剂合成的边长为7～10nm的正方形二氧化钛纳米晶以及长18～35nm,宽10～18nm的长方形二氧化钛纳米晶构成的光阳极.用较高浓度的四甲基氢氧化铵胶化剂能合成球形或椭球形亚微米级二氧化钛颗粒,以其为散射中心在光阳极中构建散射层,染料敏化太阳能电池的光电转换效率能由6.77%提高到8.18%.     

不同受体结构染料共敏化对染料敏化太阳电池性能的影响

为了拓宽染料敏化太阳电池对太阳光谱的响应范围,提高电池的光电转换效率,将两种含有不同受体结构（绕丹宁-3-乙酸基（RA）和氰基丙烯酸基（CA））的三苯胺染料（TR1和TC1）进行共敏化。TR1染料平伏吸附在TiO₂表面,而TC1染料直立吸附在TiO₂表面。将两种染料按照不同摩尔比共敏化TiO₂后,TC1占据TR1的部分位置,拓展光谱的同时也抑制了电荷复合,电子寿命较TR1敏化的太阳电池长。在TR1与TC1摩尔比为5：5的共敏剂溶液敏化的共敏电池器件中,短路光电流密度（J_sc）为11.7 mA/cm²,开路电压（V_oc）为704 mV,填充因子（FF）为0.73,光电转换效率（η）为6.03%。该结果明显优于单一染料敏化的电池器件。     

两步电泳沉积制备TiO2光阳极用于高效染料敏化太阳能电池

采用不同沉积电压制备TiO₂光阳极,研究电压对薄膜沉积速率、厚度和形貌的影响。通过台阶仪、光学照片、扫描电子显微镜(SEM)、电化学交流阻抗谱、开路电压衰减曲线对光阳极和电池进行系统表征,并测试了染料敏化太阳能电池器件的电流密度-电压(J-V)曲线,计算其光电转换效率。结果表明,提高沉积电压时,光阳极薄膜的沉积速率加快,膜厚也增加,但是电压过高时,薄膜会有裂缝和覆盖不全的问题,这会对电池的效率造成负面影响。综合考虑低沉积电压条件下薄膜均匀无裂缝和高沉积电压条件下沉积速率快的优点,采用先30 V电压、后60 V电压的电泳沉积方式来制备光阳极,结果呈现协同效果,既降低了制备时间又得到高质量的薄膜,在无其他修饰的情况下,电池的光电转换效率可以达到7.29%。     

两步电泳沉积制备TiO2光阳极用于高效染料敏化太阳能电池

采用不同沉积电压制备TiO₂光阳极,研究电压对薄膜沉积速率、厚度和形貌的影响。通过台阶仪、光学照片、扫描电子显微镜（SEM）、电化学交流阻抗谱、开路电压衰减曲线对光阳极和电池进行系统表征,并测试了染料敏化太阳能电池器件的电流密度-电压（J-V）曲线,计算其光电转换效率。结果表明,提高沉积电压时,光阳极薄膜的沉积速率加快,膜厚也增加,但是电压过高时,薄膜会有裂缝和覆盖不全的问题,这会对电池的效率造成负面影响。综合考虑低沉积电压条件下薄膜均匀无裂缝和高沉积电压条件下沉积速率快的优点,采用先30 V电压、后60 V电压的电泳沉积方式来制备光阳极,结果呈现协同效果,既降低了制备时间又得到高质量的薄膜,在无其他修饰的情况下,电池的光电转换效率可以达到7.29%。