染料敏化纳米晶太阳能电池中敏化剂的研究进展

染料敏化剂是染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)的重要组成部分,对电池性能有着重要的影响。本文将染料敏化剂分为有机金属配合物和纯有机化合物两大类,综述了这两类敏化剂的研究现状,同时讨论了其结构对光电转化效率的影响机理。     

染料敏化纳米晶太阳能电池

半导体纳米晶颗粒形成的膜具有非常大的比表面积，其表面上可以吸附大量的染料分子，因而可以有效地吸收太阳光，并将其转化为电能。本文介绍了染料敏化纳米晶太阳能电池的基本原理以及电池的结构。从电池各个组成部分分别介绍了染料敏化纳米晶太阳能电池的发展及其研究现状。     

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。     

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。     

基于不同取代基的噻吩-三苯胺染料敏化剂的合成与光伏性能

本文合成了含3种不同取代基的噻吩-三苯胺染料敏化剂(H1,H2和H3),并将其应用于二氧化钛纳米晶染料敏化太阳能电池.系统地研究了3种染料的光物理、电化学和光伏性能.基于H1的染料敏化太阳能电池获得了9.10%的光电转换效率(Voc=0.72V,Jsc=18.03mAcm-2,FF=0.70).     

染料敏化纳米薄膜太阳电池中的染料敏化剂

简要介绍了化学太阳电池的原理和染料敏化剂的发展历史,将现有染料敏化纳米薄膜太阳电池(简称DSCs)中的染料敏化剂分为有机和无机两大类,详细介绍了其中的羧酸多吡啶钌、膦酸多吡啶钌、多核联吡啶钌染料和有机染料的研究进展;介绍了其它染料敏化剂和多种染料协同敏化的研究现状;评述了染料敏化剂在染料敏化纳米薄膜太阳电池中应用的研究进展。     

有机染料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,染料敏化剂分成无机染料与有机染料两大类。无机染料受稀有金属钌的制约而成本较高,开发有机染料是降低染料敏化太阳电池成本的有效手段,成为目前研究的热点。本文从有机染料敏化剂的分子设计入手,简述了染料敏化太阳电池中有机染料敏化剂的基本结构,将有机染料敏化剂分为吲哚啉类染料、香豆素类染料、三苯胺类染料、菁...     

新型D-π-A类敏化太阳电池染料及其应用

功能性有机染料在染料敏化太阳能电池领域具有重要的应用前景,电子给体、π共轭桥和电子受体（D-π-A）结构的染料是其中重要的组成类型.本文主要依据三苯胺和吲哚啉等取代苯胺为电子给体染料的结构设计,并结合本课题组的相关工作,综述了2008年以来此类D-π-A光敏染料的光电转换性能的研究进展.     

含有萘酰亚胺的菁染料太阳能电池敏化剂的合成

通过Click反应把萘酰亚胺化合物连接到含有醛基的吲哚上,再通过醛基和吲哚碘盐的Knoevenagel缩合反应合成出带有萘酰亚胺部分的菁染料,用NMR、MS、元素分析、UV-Vis等方法对其结构和性能进行了表征和测试。     

染料敏化可见光催化制氢研究进展

染料敏化是拓展宽禁带光催化剂激发波长范围、有效利用太阳光中可见光部分的重要手段. 本文介绍了染料敏化分解水制氢的基本原理, 综述了染料敏化剂、基质或载体、染料与基质的相互作用、产氢助催化剂以及电子牺牲剂的研究进展. 并对光敏化体系中电荷转移途径及稳定性问题进行了讨论.     

基于苯并噻二唑的菁染料敏化剂的合成与光伏性能研究

两个新型的基于三苯胺苯并噻二唑的菁染料(I～II)通过含有该单元的苯并[e]吲哚啉乙醛和1,1,2-三甲基-3-丁 基-5-羧基-3H-吲哚碘盐的Knoevenagel缩合反应合成, 其结构用核磁和高分辨质谱进行了表征|对两个菁染料敏化剂的光物理、电化学性能和太阳能电池的光伏性能进行了系统研究. 在AM1.5G标准光源下, 两个染料的最高入射单色光子-电子转化效率值(IPCE值)均超过57%, 其光电转换效率分别为2.59%和3.28%.     

含二级供电基团的三苯胺类光敏染料合成及太阳能电池中的应用

以N,N-二甲基苯胺作为二级给电子单元, 合成两种具有不同长度共轭链的三苯胺类光敏染料XS19和XS22. 研究了它们的光物理与光电化学性质, 并将它们用作TiO₂纳米晶电极的光敏化剂引入太阳电池, 结果表明, N,N-二甲基苯胺的引入能够抑制染料敏化太阳能电池中的电子复合, 提高电池的光电转换效率. XS22表现出更好的光伏性能, 在AM1.5 (100 mW•cm^－2)的光强下, XS22敏化电池的开路电压(V_OC)为685 mV, 短路电流密度(J_SC)为9.6 mA•cm^－2, 填充因子(FF)为0.72, 总光电转换效率为4.7%.     

电沉积表面修饰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. 对TiO₂薄膜进行后处理, 在其表面引入一层小颗粒层, 是一种有效的方法并被广泛研究. 通过对TiO₂薄膜不同时间的电沉积表面修饰, 细致研究了表面修饰后染料敏化太阳电池微观性能的变化机制. 采用阳极氧化法在TiCl₃水溶液中对TiO₂薄膜进行电沉积后处理, 将溶液pH值调至2.2, 装置的反应速率由恒电位仪控制. 不同沉积时间电池带边移动以及电子传输复合的动力学过程, 借助强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)和电化学阻抗谱(EIS)等探测技术表征. 研究表明, 电沉积在TiO₂薄膜表面引入了大量浅能级陷阱态, 以致电势较高时电容随沉积时间延长增加明显. 不同时间的电沉积表面修饰在TiO₂薄膜表面形成了新的小颗粒层并改善了TiO₂颗粒间接触, 在改善电子注入及收集过程的同时, 也有效抑制了内部电子复合. IMPS/IMVS结果表明, 电沉积对动力学过程改善的效果受光强影响明显, 弱光下作用更为突出. 此外, 电池开路电压主要受带边移动及内部复合变化影响, 随沉积时间延长, 表面电荷的增多使TiO₂薄膜带边逐渐正移, 有效改善了光电流却限制了开路电压的提升. 在适合的电沉积时间下, 电沉积表面修饰可以同时改善光电流和光电压.     

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%.     

染料敏化太阳能电池的制作工艺及光伏特性实验教学研究

以TiO2基染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells,简称DSSC)的制作及其光伏特性实验研究为例,开展了太阳能电池精品实验建设。实验制作了纳米TiO2基DSSC,研究了四氯化钛前处理对DSSC光电性能的影响,计算了DSSC的各性能参数并对其微结构进行了表征。通过精品实验的训练,学生所学的理论知识得到综合应用,学生的创新实践能力和科学思维得到了提高。     

具有推拉电子结构卟啉染料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

将N,N’-二-(9,9’-二己基芴)胺作为电子供体引入具有推拉电子结构的卟啉染料中,设计合成了2个新的染料敏化太阳能电池(DSSCs)敏化剂WP-1和WP-2。利用核磁共振氢谱和高分辨质谱对染料结构进行了表征。测试了染料的紫外-可见吸收光谱。将其应用于染料敏化太阳能电池中,在模拟太阳光(100×10-3W/cm2)照射下,染料WP-1和WP-2敏化电池的能量转换效率分别达到了4.01%和7.07%。WP-2敏化的电池封装后经自然光照射500 h后,光电效率仍能维持在初始效率的98%以上。说明N,N’-二-(9,9’-二己基芴)胺作为电子供体,很适合推拉电子结构的卟啉染料。不仅丰富了用于卟啉染料的电子供体的种类,也为进一步将二芴胺衍生物引入到卟啉染料中的研究奠定了基础。     

含苯并噻二唑的吩噻嗪染料分子的设计合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

设计合成了三种含苯并噻二唑的吩噻嗪类有机染料光敏剂JY50~JY52,在对其光物理和电化学性质进行研究的基础上,使用三种染料对纳米TiO₂电极进行敏化制备太阳能电池器件,并系统研究了其光电转化效率及电荷传输阻抗等光伏特性.研究结果表明,在染料分子中引入共轭基团有助于其摩尔吸光系数的提升,从而提升光电流.两个长烷基链的引入能够有效地抑制染料分子激发态电子在TiO₂光阳极表面的电子复合,从而提升其电子注入效率.其中,在AM 1.5（100 mW·cm^-2）的模拟光强下,基于碘电解质的染料JY51电池器件获得了7.61%的光电转化效率.     

Novel Quasi-solid-state Dye-sensitized Solar Cell Based on Monolayer Capped TiO2 Nanoparticles Framework Materials

Dodecylbenzenesulfonate (DBS)-capped TiO2 nanoparticles have been synthesized and employed in dye-sensitized solar cells to form a quasi-solid state electrolyte. Owing to the long alkyl-chain capping around the TiO2 nanoparticles interacting with the liquid solvent, the dye sensitized solar cell based on such DBS-capped TiO2 nanoparticle framework material gel electrolyte shows higher stability compared with the non-capped one in the long-term application and gives a comparable overall efficiency of 6.3% at AM 1.5 illumination.     

辛氧基苯基取代的吡啶并[3,4-b]吡嗪染料的合成与光伏性能研究

为了进一步提高电池的开路电压, 把吡啶并吡嗪核上的甲氧基苯换成辛氧基苯, 设计合成了一系列以三苯胺为给体、辛氧基苯取代的吡啶并[3,4-b]吡嗪为辅助受体、噻吩(呋喃、苯)为π-链、氰基乙酸为受体的新型染料敏化剂(OPP-I～Ⅲ). 对OPP-I～Ⅲ的光电化学性质、器件性能以及电荷转移动力学等进行了系统的测试及研究. 实验结果表明, 用辛氧基取代甲氧基, 能有效减少染料在TiO₂表面的聚集, 同时能阻止电解质和TiO₂导带的接触, 抑制电荷复合, 提高了开路电压. 最后, 在AM 1.5(100 mW·cm^-2)光强条件下, OPP-I敏化的电池最大光电转换效率为 6.57%(短路电流为 11.7 mA·cm^-2, 开路电压为 717 mV, 填充因子为 0.78).