染料敏化太阳能电池器件的研究进展

染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells, DSCs)作为一种新型的薄膜太阳能电池,是目前光伏电池领域的一个研究热点.文章首先介绍此类电池的基本结构、工作原理、影响电池性能的关键材料及其最新研究进展,而后重点分析了器件集成的设计模式,并对各种模式的研究进展与存在的问题进行了探讨.     

基于薄膜电极溶胶修饰的染料敏化太阳电池光电特性研究

染料敏化太阳电池(DSC)中的纳米薄膜电极 是决定太阳电池光电转换性能的重要组成部分. 为改善薄膜电极特性, 采用了不同浓度的TiO₂溶胶对DSC光阳极导电玻 璃和纳米TiO₂多孔薄膜进行不同方式的界面处理. 利用X射线衍射方法对制备得到的多孔薄膜以及溶胶经高温处理 后致密层中纳米TiO₂颗粒的尺寸及晶型进行了测试. 采用高分辨透射电子显微镜和场发射扫描电子 显微镜观察了纳米颗粒及薄膜微结构形貌. 采用强度调制光电流谱/光电压谱分析了TiO₂溶 胶的不同处理方式对电子传输和复合的影响. 在100 mW· cm^-2光强以及暗环境下分别测试了DSC的伏安输出性能以及暗电流. 结果表明, 不同浓度和处理方式均能较好地抑制暗电流. 溶胶处理后光生电子寿命τ_n延长, 电子传输平均时间τ_d相应缩短. 采用浓度为0.10 mol·L^-1的 溶胶对导电玻璃和多孔膜同时处理, DSC的宏观输出特性最佳, 短路电流密度J_sc提高了10.9%, 光电转换效率η提高了11.9%.     

基于石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究进展

对近几年石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究成果进行了追踪,分析了多种改性石墨烯电极应用于染料敏化太阳能电池后能量转换效率变化的原因,深入研究了改善石墨烯对电解质的还原电催化反应活性物理机理,为解决该电池存在的问题理清了思路,对该方向未来的研究工作给出了建议,探索和制备新材料以进一步打破石墨烯的层间堆叠是提高该电池性能的关键。     

基于石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究进展

对近几年石墨烯基电极染料敏化太阳能电池的研究成果进行了追踪,分析了多种改性石墨烯电极应用于染料敏化太阳能电池后能量转换效率变化的原因,深入研究了改善石墨烯对电解质的还原电催化反应活性物理机理,为解决该电池存在的问题理清了思路,对该方向未来的研究工作给出了建议,探索和制备新材料以进一步打破石墨烯的层间堆叠是提高该电池性能的关键。     

用于染料敏化太阳能电池的聚醚型聚氨酯凝胶电解质的研究

以聚乙二醇(PEG)和异氰酸酯为单体,添加由1,4-丁内酯溶解(C4H9)4NI/I2配制的液态电解质,形成一系列的聚醚型聚氨酯凝胶电解质。通过动态机械热分析(DMTA)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射(XRD)等方法对聚氨酯凝胶电解质结构进行表征,测试结果表明此类电解质具有良好的热稳定性和非晶相结构。同时,研究了PEG分子量、异氰酸酯单体的改变对聚氨酯凝胶电解质电导率的影响,发现PEG分子量的增大使聚氨酯凝胶电解质的电导率先增加后降低,当PEG分子量为10000时,所合成凝胶电解质的电导率达到最大,为6.13mS/cm,而异氰酸酯单体的改变对电解质的电导率影响不大。扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明这可能与聚氨酯中形成的不同网状结构有关。在100mW/cm2的入射光强下,不同分子量PEG制备的聚氨酯凝胶电解质组装的染料敏化太阳能电池(DSSCs)的光电性能不同,其中PEG分子量为10000合成的聚氨酯凝胶电解质组装的电池的光电转化效率最高,为4.29%。     

TiO2表面质子化对染料敏化太阳能电池性能及吸附染料稳定性的影响

采用致密平整TiO₂薄膜作为染料敏化太阳能电池光电极,并研究了HCl处理表面质子化对电池性能的影响. 结果表明,HCl处理后电池的短路电流显著提升,电池的开路电压则有轻微的下降,电池电流提升了31%,而能量转化效率则提升了25%. 这是因为TiO₂的表面质子化增强了吸附染料与TiO₂间的电学耦合,提高了染料中激发电子向TiO₂导带的注入速率. 而电压的下降,一方面是由于质子化会引起TiO₂导带能级     

二硒化铁/还原氧化石墨烯的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用

通过水热反应合成出二硒化铁/还原氧化石墨烯(FeSe₂/rGO)复合材料, 并将其作为对电极材料应用于染料敏化太阳能电池(DSSC). 利用X射线衍射、拉曼光谱、场发射扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜对FeSe₂/rGO的结构和形貌进行了表征. 利用循环伏安法、电化学阻抗谱和Tafel曲线测试分析了FeSe₂/rGO对电极的电催化活性. 结果表明: FeSe₂呈纳米棒结构, 长度在100-200 nm之间, 且紧密地附着在rGO 的表面, FeSe₂/rGO对电极对I₃^-的还原具有很好的催化活性. 电池的J-V曲线测试显示: 基于FeSe₂/rGO对电极的DSSC的转换效率达到了8.90%, 相比基于单纯的FeSe₂对电极的DSSC(7.91%)和rGO对电极的DSSC(5.24%)都有了显著提高, 甚至优于铂对电极的DSSC(8.52%).     

第三代染料敏化太阳能电池发明者获芬兰千年技术奖

第三代染料敏化太阳能电池发明人迈克尔·格雷策尔于2010年6月9日被授予芬兰2010年“千年技术奖”,并获得80万欧元奖金．     

有机PIN型太阳能电池的数值模拟

从有机太阳能电池的工作机理出发,给出了有机P-I-N型有机太阳电池的理论模型,并对模型的激子产生率和载流子浓度分布进行了数值模拟,分析了光强和载流子迁移率对电池效率的影响,为高效率的此类电池的设计提供了理论依据。     

三芳胺和二氢吲哚作为给体的染料对钴电解质的染料敏化太阳能电池性能的影响

合成了两种有机染料,三芳胺染料XS51和二氢吲哚染料XS52,并分别用于钴基电解质和碘基电解质的染料敏化太阳能电池中. 考察了染料结构对光物理性能、电化学性能和电池性能的影响. XS51为含有四个己氧基的三芳胺结构,表现出较好的空间位阻,从而提高了光电压. XS52中二氢吲哚的给电子能力强,从而短路电流较大. 同碘电解质相比,所合成的染料更适合用于钴电解质的染料敏化电池中. 在100 mW/cm²的光强下,基于染料XS52的钴电解质太阳能电池总的光电转换效率达到6.58%.     

活性层厚度对体异质结聚合物太阳能电池性能的影响

制备了MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])和PCBM (1-(3-mehyloxycarbonyl)propy1-phenyl[6,6]C₆₁)共混体系的聚合物太阳能电池。通过改变MEH-PPV∶PCBM(质量比为1∶4)混合溶液的浓度及旋涂时的转速来改变活性层的厚度,研究了器件性能随活性层厚度的变化。当旋涂速率小于4 000 r·min-1时随着厚度的减小,开路电压没有明显的变化,基本在0.8 V左右,但短路电流呈现单调上升的趋势,填充因子略有下降。当旋涂速率大于5 000 r·min-1时,开路电压和短路电流都开始下降。其中,开路电压从5 000 r·min-1时的0.78 V下降到8 000 r·min-1时的0.67 V,短路电流更是从5 000 r·min-1时的3.96 mA·cm-2下降到8 000 r·min-1 时的1.76 mA·cm-2。短路电流受光吸收和载流子传输两方面的共同影响,而活性层厚度的变化使得这两方面的影响产生相悖的效果。活性层越厚,光生激子数越多,但同时内建电场变弱,而且激子解离后得到的载流子传输到相应电极的距离越长,载流子被电极收集的概率减小。开路电压的降低则源于激子在MEH-PPV和PCBM与相应电极界面处解离比重的增加。     

镀膜法改善有机薄膜太阳能电池光学性能

有机活性材料的低载流子迁移率使得有机光伏电池的电极收集到的电荷较少。增加活性层光吸收能够增加激子的产生数从而增加电极收集到的电荷,提升器件的性能。通过对器件模拟的方法,研究以P3HT：PCBM为活性层的薄膜太阳能电池的光学性能。 在此基础上,提出采用镀多层高反射膜的方法改善电池器件的光学性能。结果表明：活性层厚度对电池器件的光吸收起到主导作用;镀多层高反射膜在活性层厚度小于160 nm、Ag厚度小于20 nm时能大幅度改善电池器件的光学性能,光生激子总数随活性层厚度的增加而迅速增多,并且在活性层厚度约为150 nm时为一个最佳值。     

拉曼光谱研究电化学沉积聚吡咯掺杂程度对膜厚度的依赖性

本文报道电化学沉积在光滑铂电极表面上聚吡咯 (PPy)膜的拉曼光谱。研究结果表明 :聚吡咯膜的掺杂程度在其生长过程中不断增加。因此 ,PPy膜的拉曼光谱特性对膜厚具有很强的依赖性。电化学分析结果也证明了这一发现。具有已知厚度的PPy膜的掺杂程度依赖于支持电解质的性质。     

Thickness effect of the TiO2 nanofiber scattering layer on the performance of the TiO2 nanoparticle/TiO2 nanofiber-structured dye-sensitized solar cells

TiO₂ nanofibers (NFs) were fabricated by an electrospinning process and were used as scattering layers in dye-sensitized solar cells (DSSCs). The NF-coated photoanodes of the DSSCs were prepared with a variety of scattering layer thicknesses. The thickness effect of the scattering layer on the double-layered TiO₂ nanoparticle (NP)/TiO₂ NF structure was investigated through structural, morphological, and optical measurements. In the double-layered photoanode, the TiO₂ NP layer plays a major role in dye adsorption and light transmission, and the TiO₂ NF scattering layer improves the absorption of visible light due to the light scattering effects. The scattering effect of TiO₂ NFs layer was examined by the incident monochromatic photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) and UV–Vis spectrometry. The conversion efficiency for the 12 μm-thick photoanode composed of a 2 μm-thick TiO₂ NF layer and 10 μm-thick TiO₂ NP layer was higher than that of DSSCs with only TiO₂ NPs photoanode by approximately 33%.     

新型多孔凝胶电解质的制备及其在准固态柔性基染料敏化太阳电池中的应用

制备了一种新型多孔聚丙烯酸/十六烷基三甲基溴化铵聚吡咯凝胶电解质,并将其应用于柔性基染料敏化太阳电池(DSSC)。通过扫描电镜表征、热重分析测试、电化学性能测试和柔性电池光电性能测试等手段,分析了凝胶电解质对柔性基DSSC的光电性能影响。研究结果表明:随着聚吡咯的引入,提高凝胶电解质导电性以及催化电解质中的I-/I3-离子电对等性能,最终在100mW/cm2[大气质量(AM)1.5]光照条件下,测得基于该准固态凝胶电解质的柔性基DSSC光电转换效率达1.28%。     

利用PVP添加剂提高钙钛矿太阳能电池光伏性能

研究了聚乙烯吡络烷酮(PVP)作为添加剂对CH3NH3PbI3钙钛矿基太阳能电池光电性能的影响.通过SEM、XRD和UV-Vis等手段,研究了不同浓度PVP掺杂CH3NH3PbI3钙钛矿前驱体对薄膜的表面形貌、结晶度和光学性能的影响.结果表明,少量的PVP添加可以调控钙钛矿薄膜的质量,添加了PVP的钙钛矿薄膜的吸收性能明显得到提高,且吸收峰红移了20 nm;同时,不仅增加了CH3 NH3 PbI3的结晶度,而且还明显提高了钙钛矿薄膜的覆盖率,减少了钙钛矿薄膜中的针孔结构.在CH3 NH3 PbI3前驱体溶液中添加质量分数为1％的PVP,得到的钙钛矿太阳能电池的能量转换效率达到8.38％.与未加PVP的标准电池器件效率(1.30％)相比,效率提高了544％.这些结果表明,通过添加剂来调控一步法CH3 NH3 PbI3的晶体生长和薄膜形貌来获取高性能的钙钛矿太阳能电池是很有前途的.     

八羟基喹啉铝取代钙作为电子传输层对聚合物太阳电池光稳定性的影响

通过选择高效窄带隙聚合物给体材料PTB7与电子受体材料PC71BM作为聚合物太阳电池的活性层,采用Glass/ITO/poly(ethylenedioxythiophene)∶polystyrene sulphonate(PEDOT∶PSS)/PTB7∶PC71BM/electron extraction layer(EEL)/Al的器件结构研究了不同EEL对器件性能及光稳定性的影响。通过采用小分子有机材料Alq3与低功函数碱金属Ca作为EEL,发现由于Ca的活泼金属特性及不稳定性,以Ca作为EEL的聚合物太阳电池的初始效率在3d之后就下降了60%;而以Alq3作为EEL的器件在空气中放置一个月之后其初始效率仅下降30%。此外,以Alq3作为EEL的器件光伏效率完全比得上传统器件中以Ca作为EEL的光伏器件。研究结果表明,Alq3是一种潜在的长寿命聚合物太阳电池的EEL材料。     

Water Evaporation Induced Conversion of CuSe Nanoflakes to Cu2−xSe Hierarchical Columnar Superstructures for High‐Performance Solar Cell Applications

In this work, a facile and low‐temperature water evaporation approach to prepare columnar superstructures consisting of face centered cubic (fcc) Cu_2?xSe nanoflakes stacked along 〈111〉 direction is reported. Formation of such unique stacked nanoflake assemblies is resulted from oriented attachment of isolated hexagonal CuSe nanoflakes along the 〈001〉 direction with a ripening effect driven by solvent evaporation, and then followed by a phase conversion into fcc Cu_2?xSe. Evolution from hexagonal CuSe nanoflakes to fcc Cu_2?xSe columnar superstructures results in obvious red‐shift of band‐gap absorption edge from 670 to 786 nm and dramatically decreased Raman resonance band intensity of the Se–Se stretching mode at 259 cm^?1 due to the phase conversion and composition variation. Remarkably, the Cu_2?xSe columnar superstructures are employed as low‐cost and highly efficient counter electrodes (CEs) in quantum dot sensitized solar cells, exhibiting excellent electrocatalytic activity for polysulfide electrolyte regeneration. A ZnSe/CdSe cosensitized solar cell using the Cu_2?xSe CE shows a significant increase in fill factor and short‐current density (J_SC) and yields a 128% enhancement in power conversion efficiency as compared to the traditional noble metal Pt CE.