染料敏化太阳电池中TiO2/染料/电解质界面的修饰

染料敏化太阳电池(DSC)作为新型太阳电池自问世以来受到了广泛关注, 其系统内部的接触界面尤其是TiO₂/染料/电解质界面一直是该领域的研究热点. 光敏染料的吸附以及电子的注入、传输和复合都发生在该界面, 其界面性质对DSC性能具有很大影响. 对染料敏化太阳电池中TiO₂/染料/电解质界面进行修饰可以有效抑制染料聚集和电子复合, 提高电子的注入效率与传输速率; 同时, 对TiO₂导带边的位置及染料吸附等也产生一定的影响, 最终提高电池的光电转换效率和稳定性. 本文主要从不同的修饰途径详细评述了TiO₂/染料/电解质界面修饰方法及机理研究进展,包括TiO₂光阳极的修饰改性、染料溶液中共吸附剂的引入和多种染料共敏化处理以及电解质中不同功能添加剂的应用. 指出了这些修饰方法目前存在的主要问题, 并对未来的发展方向进行了展望.     

共吸附剂修饰TiO2薄膜电极

共吸附剂修饰纳晶TiO₂薄膜电极是目前染料敏化太阳电池研究的一个热点. 本文通过平带电势和电化学阻抗研究了二(3,3-二甲基丁基)次膦酸和鹅脱氧胆酸两种共吸附剂修饰对TiO₂薄膜电极的平带电势和电极表面钝化能力的影响及其在染料敏化太阳电池中的应用. 结果表明, 二(3,3-二甲基丁基)次膦酸能更有效地钝化TiO₂薄膜表面, 并使TiO₂薄膜平带电势负移. 电化学阻抗谱测试结果表明, 在染料敏化太阳电池中, 相对于鹅脱氧胆酸, 二(3,3-二甲基丁基)次膦酸能更显著地提高器件的电子寿命和开路电压.     

共吸附剂修饰TiO2电极及其在染料敏化太阳电池中的应用

在染料敏化太阳电池中, 引入共吸附剂通常有抑制染料聚集和提高电池性能的作用. 通过光谱电化学、线性伏安扫描和电化学阻抗谱(EIS)研究了几种以单羧酸基为吸附基团的共吸附剂对纳米TiO₂薄膜的修饰作用. 结果表明本实验中的共吸附剂均能使TiO₂平带电势负移, 并抑制TiO₂导带电子的复合, 其中胆酸类共吸附剂表现出较好的暗电流抑制性能. 适当浓度共吸附剂的引入能够提高N719染料敏化太阳电池的开路电压、填充因子和光电转换效率.     

双功能型吡啶基离子液体的性质及在染料敏化太阳电池中的应用

采用高压釜无溶剂法合成了一种吡啶碘离子液体1-乙基-4-叔丁基吡啶碘(TBEPI), 并将其应用到染料敏化太阳电池(DSC)中. 利用电化学阻抗谱(EIS)、循环伏安(CV)和傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)研究了TBEPI作为碘源的电解质的电化学性质、在TiO₂膜上的吸附特性及抑制TiO₂/染料/电解质界面电子复合的动力学过程. 结果表明, TBEPI作为碘源可提供充足的碘离子, 其电解质的电导率、电化学窗口及氧化还原电对的扩散能力都满足电池工作的需要. TBEPI可有效吸附在TiO₂ 表面形成阻挡层, 抑制TiO₂/染料/电解质界面的电子复合过程, 与传统的以1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘(DMPII)作为碘源的DSC相比, 光电转换效率(η)由7.1%提高到7.5%.     

向列相液晶4-氰基-4'-庚基联苯和4-氰基-4'-戊基联苯在准固态染料敏化太阳电池中的应用

将两种向列相液晶,4-氰基-4'-庚基联苯和4-氰基-4'-戊基联苯,引入到染料敏化太阳电池(DSC)用偏氟乙烯-六氟乙烯共聚物基准固态电解质中,以期提高DSC的光电转化效率.研究了液晶的引入对电解质中I-/I3-的氧化还原行为、DSC中TiO2/电解质界面的暗反应以及DSC光伏性能的影响.结果表明,尽管液晶的引入会降低电解质中I-/I3-的传输并且使得DSC中暗反应加快,但是DSC的短路电流密度却显著地提高,使DSC的光电转化效率增加.这可能是由于液晶的引入改善了DSC中的界面接触以及增加染料的光吸收引起的.     

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（英文）

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TiO_2表面,而TC1染料直立吸附在TiO_2表面。将两种染料按照不同摩尔比共敏化TiO_2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/cm~2,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。     

氧气氛烧结电极对染料敏化太阳电池微观性能影响机理研究

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程, 研究者尝试不同方法制备或改性TiO₂薄膜. 不同烧结气氛可以改变TiO₂薄膜的表面特性, 是一种有效的方法并被广泛研究. 采用两步烧结法制备氧气氛烧结TiO₂电极并应用于染料敏化太阳电池:第一步将电极在空气或氧气氛中510℃保温30 min以清除TiO₂薄膜中有机物; 第二步将电极进一步在氮气氛中510℃保温10 min以移除电极表面吸附的多余氧原子. 通过与空气烧结电池宏观性能及微观性能的对比, 细致研究了氧气氛烧结电极表面特性对染料敏化太阳电池传输复合微观动力学过程的影响机制. TiO₂薄膜表面特性及带边移动、电子传输复合过程的表征分别借助XPS能谱仪和强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)等探测技术完成. 结果表明, 氧气烧结电极Ti³⁺复合中心减少, 使电池内部电子复合得到有效抑制. 同时, 氧气烧结电极染料吸附量增加且导带边正移, 使得光生电子浓度升高, 膜内电子传输过程加快. 最终, 氧气烧结电极有效改善了电池光吸收效率、电子收集效率以及注入效率, 使电池效率由6.90%提升至7.53%.     

Au掺杂对TiO_2薄膜表面态及电荷传输性能的影响

采用两步法合成了不同Au掺杂量的TiO_2薄膜材料,并通过循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)探究了不同Au掺杂量TiO_2薄膜的表面态数量及其在禁带中的分布情况.借助强度调制光电流/电压谱(IMPS/IMVS)研究了薄膜内电子传输时间和寿命及界面电荷转移性能等.结果表明,适量Au(摩尔分数0.2%)的掺入可有效降低薄膜的表面态数量,优化表面态分布情况,提高电子在TiO_2/染料/电解质界面的电阻,从而改善电子的传输性能,提升太阳电池的光电转换效率.     

新型梳状共聚物在准固态染料敏化太阳能电池中的应用及其对电子复合的影响

合成了乙烯基咪唑碘盐(VImI)和聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA)的梳状共聚物.利用VImI/PEGMA共聚物制备了准固态聚合物电解质.通过光电流密度-电压(J-V)曲线和电导率测定以及电化学阻抗分析,探讨了基于此电解质的染料敏化太阳能电池的电荷传输与界面电子转移机制.结果表明,VImI/PEGMA共聚物可以有效抑制TiO2/电解质界面电子复合并提高TiO2导带能级,敏化电池的光伏性能并不完全取决于电解质的电导率.通过考察共聚物中VImI与PEGMA单元的摩尔比与开路电压的关系,发现共聚物对电子复合的抑制作用主要源于VImI链段.此外,开路电压衰减(OCVD)和瞬态光电流测试结果说明,共聚物能够提高TiO2薄膜的电子寿命,而且对陷阱电子能级的分布具有调节作用.当共聚物在电解质中的质量分数为50%,VImI与PEGMA的摩尔比为5.0时,准固态染料敏化太阳能电池于100mW·cm-2光强下获得了4.10%的光电转换效率.     

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。     

Linking optical and electrical small amplitude perturbation techniques for dynamic performance characterization of dye solar cells

This paper unifies the analytical models used widely but thus far mostly separately for electrical and optical small amplitude perturbation measurements of nanostructured electrochemical dye solar cells (DSC): electrochemical impedance spectroscopy (EIS), intensity-modulated photocurrent spectroscopy (IMPS) and intensity-modulated photovoltage spectroscopy (IMVS). The models are linked by expressing the kinetic boundary condition used for solving the time-dependent continuity equation of electrons in IMPS and IMVS analysis in terms of the series and parallel impedance components found in the complete equivalent circuit impedance model of DSC. As a result, analytical expressions are derived for potentiostatic IMPS and galvanostatic IMVS transfer functions of complete DSCs that are applicable at any operating point along the solar cell current-voltage (IV) curve. In agreement with the theory, impedance spectrum calculated as a ratio of IMVS and IMPS transfer functions measured near the maximum power point matches exactly with the impedance spectrum measured directly with EIS. Consequently, both IMPS-IMVS and EIS yield equal estimates for the electron diffusion length. The role of the chemical capacitance of the nanostructured semiconductor photoelectrode in the interpretation of the so-called RC attenuation of the IMPS response is clarified, as well as the capacitive frequency dispersion in IMPS and IMVS.     

对电极性能对染料敏化太阳电池动力学过程的影响

借助电化学阻抗谱(EIS)和强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)技术, 采用不同纳米TiO₂多孔薄膜对电极研究了染料敏化太阳电池(DSC)内部2个主要电荷输运过程的内在联系, 并探讨了载Pt材料对DSC界面动力学过程及电池宏观性能的影响机理. 借助等效电路模型分析了基于不同对电极材料电池的填充因子变化原因. 结果表明, 对电极材料的电极电荷交换过程制约光阳极膜内电子传输, 进而影响电池光伏性能; 同时对电极催化反应速率主要与催化剂活性、 载Pt材料电导率和催化反应面积有关.     

Electron transport in coumarin-dye-sensitized nanocrystalline TiO2 electrodes

We investigated electron transport kinetics in terms of electron diffusion coefficient (D) and electron lifetime (tau) in coumarin-dye-sensitized nanocrystalline TiO2 electrodes by intensity-modulated photocurrent spectroscopy (IMPS) and intensity-modulated photovoltage spectroscopy (IMVS). We found that the values of tau for coumarin-dye-sensitized TiO2 electrodes were much shorter than that for an electrode coated with a Ru complex (N719 dye), suggesting that the back-electron-transfer process corresponding to recombination between conduction-band electrons in the TiO2 and I3- ions in the electrolyte occurs more easily in coumarin-dye-sensitized solar cells. In addition, the values of tau depended on the kind of coumarin dye, each of which has a different number of thiophene moieties, suggesting that the molecular structure of the adsorbed dyes also affects the kinetics of electron transport in the TiO2 electrodes.     

通过S2-中间态将CdSe量子点有机配体转化为ZnS保护层及其器件光伏特性

通过S2-中间态将有机配体三辛基氧膦(TOPO)转化为ZnS保护层,显著改善了CdSe量子点(QDs)器件的转换效率.配体交换后的傅里叶变换红外(FTIR)光谱结果表明,有机配体已被S2-离子配体取代;离子反应后的X射线光电子能谱(XPS)结果表明S2-离子配体反应生成了ZnS,紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱结果表明量子点溶液吸收峰位没有发生明显改变,透射电子显微镜(TEM)结果表明配体交换后量子点粒径减小.电化学阻抗谱(EIS)结果表明光照条件下有机配体转化为ZnS保护层后TiO2/QDs/电解质界面电阻减少,证明该条件下正向电子传输增强;强度调制光电压谱(IMVS)和强度调制光电流谱(IMPS)结果表明电子寿命和扩散速度增加.相比于有机配体,形成ZnS保护层后的量子点敏化太阳能电池(QDSC)效率由0.98%提高到1.75%,相对提高了1.78倍.     

高相转变温度的离子凝胶电解质基准固态染料敏化太阳电池

染料敏化太阳电池(DSC)以其低价、高效等优势, 成为学术界和工业界的研究热点. 传统液态电解质由于易挥发、易泄漏等问题, 导致基于液态电解质的电池难以保持长期稳定, 影响光伏技术的应用. 本文合成了N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺, 将其作为有机小分子胶凝剂(LMOG)胶凝离子液体电解质(ILE)制备了离子凝胶电解质(IGE)并组装成准固态电池(QS-DSCs). 差示扫描量热测试显示该凝胶电解质的相转变温度(T_gel)为104.7℃, 具有良好的本征热稳定性.利用循环伏安法、电化学阻抗谱、调制光电压/光电流谱分别研究了液态电池和准固态电池内部电子传输和复合动力学过程. 结果表明, 凝胶电解质的三维网络结构加速了TiO₂光阳极/电解质界面电子与电解质中I₃^-的复合过程, 使电子寿命降低, 导致准固态电池的光电转换效率略低于液态电池. 在AM1.5 (100 mW·cm^-2)及50℃条件下的加速老化测试结果显示, 持续老化1000 h后其光电转换效率(η)无衰减,而液态电池的光电转换效率衰减为初始值的86%, 表明准固态电池具有良好的光热稳定性.     

The Influence of Charge Transport and Recombination on the Performance of Dye‐Sensitized Solar Cells

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and transient voltage decay measurements are applied to compare the performance of dye sensitized solar cells (DSCs) using organic electrolytes, ionic liquids and organic‐hole conductors as hole transport materials (HTM). Nano‐crystalline titania films sensitized by the same heteroleptic ruthenium complex NaRu(4‐carboxylic acid‐4′‐carboxylate) (4,4′‐dinonyl‐2,2′‐bipyridyl)(NCS)₂ , coded Z‐907Na are employed as working electrodes. The influence of the nature of the HTM on the photovoltaic figures of merit, that is, the open circuit voltage, short circuit photocurrent and fill factor is evaluated. In order to derive the electron lifetime, as well as the electron diffusion coefficient and charge collection efficiency, EIS measurements are performed in the dark and under illumination corresponding to realistic photovoltaic operating conditions of these mesoscopic solar cells. A theoretical model is established to interpret the frequency response off the impedance under open circuit conditions, which is conceptually similar to photovoltage transient decay measurements. Important information on factors that govern the dynamics of electron transport within the nanocrystalline TiO₂ film and charge recombination across the dye sensitized heterojunction is obtained.     

Synthesis of ZnO nanomaterials with controlled morphology and their photoelectrochemical properties

Three morphologies of ZnO nanomaterials (ZnO-hand grenade, ZnO-rod and ZnO-particle) were synthesized via a facile hydrothermal method. The as prepared ZnO nanomaterials were used as photoelectrodes to fabricate dye sensitized solar cells (DSSCs). Of the three samples, ZnO-particle displays the highest photovoltaic conversion efficiency which can be attributed to the high surface area to absorb light more efficiently. Intensity modulated photocurrent spectroscopy (IMPS), and intensity-modulated voltage spectroscopy (IMVS) indicate that ZnO-rod provides superior electron transfer kinetics: fast electron transfer and long electron lifetimes with suppressed recombination.     

N3/Al2O3/N749交替组装结构拓宽准固态染料敏化太阳能电池光响应范围和界面修饰效果

研究了染料敏化太阳能电池(DSCs)中N3/Al₂O₃/N749交替组装结构的作用. 该结构使用Al₂O₃作为介质层吸附第二层染料, 可以有效拓宽DSCs的光响应范围, 提高电池的光电转化效率. UV-Vis 吸收光谱和单色光转换效率(IPCE)谱测试结果表明, 相对于单一染料, 使用交替组装结构的电池光响应范围变宽. 电流-电压(I-V)曲线结果表明, 该结构有效增加了DSCs 电池的光电转化效率, 从单一N3 和N749 染料的4.22%和3.09%增加到了5.75%, 分别增加了36%和86%. 为了研究该结构的作用机理, 本文对其界面修饰作用及界面电子过程进行了讨论. 暗电流测试结果表明交替组装结构可以有效阻止电荷复合过程; 电化学阻抗谱(EIS)结果表明在黑暗条件下, N3/Al₂O₃/N749结构可以提高界面电阻, 从而抑制电荷复合过程; 本文建立了等效电路模型, 并使用该模型讨论了交替组装结构的界面电子过程; 调制强度光电流谱(IMPS)和调制强度光电压谱(IMVS)的结果表明该结构可以提高电子寿命和改善电子扩散.     

强度调制光电流谱/光电压谱及其应用

本文介绍了强度调制光电流谱/光电压谱(IMPS/IMVS)的基本原理和测试方法,综述了IMPS/IMVS在各个领域中的研究进展,特别是在染料敏化太阳电池和半导体电极中电子传输动力学的应用,评述了研究过程中的问题和存在的争议,并对IMPS/IMVS的未来应用进行了展望。     

Understanding Surface Recombination Processes Using Intensity-Modulated Photovoltage Spectroscopy on Hematite Photoanodes for Solar Water Splitting

Converting solar energy into hydrogen through photoelectrochemical (PEC) water splitting offers a promising route towards a fully renewable energy economy. A fundamental understanding of photogenerated charge recombination processes in semiconducting photoelectrodes is a key consideration in optimizing solar water splitting cells and intensity-modulated photovoltage spectroscopy (IMVS) has recently emerged as a promising technique for gaining new insight. However, the interpretation of IMVS data under various conditions (that is, when photoelectrodes are in sacrificial electrolytes or employ catalytic overlayers) is not complete. Using IMVS data we present herein an analysis of charge recombination processes under open circuit conditions on a model photoanode system: nanostructured hematite. Employing two sacrificial oxidation conditions compared to standard water oxidation conditions, our IMVS results establish a direct correlation between surface recombination processes and the low frequency IMVS response. We found that surface intermediate states for water oxidation under open circuit condition exhibit a lifetime of 229 ms under standard illumination conditions. Applying a nickel iron oxide overlayer also gives insight into surface passivation effects through IMVS analysis of photoanode system.