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。     

染料敏化太阳能电池掺杂TiO2纳晶光阳极

染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells, DSC）效率高、制作简单、成本低,因此被认为是最有希望的第三代太阳能电池。DSC光阳极的主要作用是吸附染料、传输电子和提供电解质扩散通道,因此对DSC光电性能具有决定性作用。近年来,通过掺杂调控TiO₂光阳极的电子特性,从而提高DSC的光电效率受到广泛关注。本文对掺杂TiO₂光阳极的研究现状进行了综述,重点分析了非金属元素、过渡金属元素及主族元素的掺杂对TiO₂光阳极的能带结构、光吸收特性、染料吸附量、电子传输和界面复合过程以及所组装DSC光电性能的影响,分析了非金属元素共掺杂的协同效应。同时,对稀土元素掺杂TiO₂作为光谱转换材料提高DSC光吸收效率和光电转换效率进行了探讨,最后论文对掺杂TiO₂光阳极今后的研究重点和研究方向进行了展望。     

染料敏化太阳能电池用TiO2薄膜电极的改性制备及光电化学性能

以钛酸四异丙酯为钛源, 用水热法合成制备了具有典型锐钛矿晶型的TiO2纳米材料. 采用金属镍掺杂和表面包覆一层氧化钕, 对TiO2薄膜电极进行改性研究. 实验结果表明, 所制备纳米TiO2颗粒较均匀, 粒径约为17~18 nm. 经镍掺杂后, 颗粒团聚粒径明显增大, 但是仍保持均匀状态和多孔结构. 与改性前的TiO2薄膜电极相比, 金属掺杂和表面包覆有助于光生电子和空穴有效地分离, 电池的短路光电流提高了16%, 光电转换效率提高了17%.     

含有TiO2刺球散射中心光阳极的设计及其在染料敏化太阳能电池的应用

采用水热法制备了一种刺球状TiO_2(NT),将其作为光散射中心,与纳米晶TiO_2混合,制备成一种底层为P25薄膜(作为染料吸收层),上层为添加NT散射层的混合结构的薄膜光阳极。探讨了NT添加量对薄膜性能的影响,实验结果表明,当NT与P25粉体的质量比为35%时电池光电性能最优,电池短路光电流密度为14.30 m A·cm~(-2),其光电转换效率达到7.38%。质量比继续增大,当达到50%时电池性能有所下降,光电转换效率降为5.99%,同时染料吸附量也由73.2μmol·cm~(-2)降到70.1μmol·cm~(-2)。这表明过量的大颗粒TiO_2刺球散射中心会减少光阳极的比表面积从而降低染料的有效吸附量,并且还会引起不必要的反向散射,只有适量的散射中心才能得到最佳性能的太阳能电池器件。     

含有TiO2刺球散射中心光阳极的设计及其在染料敏化太阳能电池的应用

采用水热法制备了一种刺球状TiO₂（NT）,将其作为光散射中心,与纳米晶TiO₂混合,制备成一种底层为P25薄膜（作为染料吸收层）,上层为添加NT散射层的混合结构的薄膜光阳极。探讨了NT添加量对薄膜性能的影响,实验结果表明,当NT与P25粉体的质量比为35%时电池光电性能最优,电池短路光电流密度为14.30 mA·cm^-2,其光电转换效率达到7.38%。质量比继续增大,当达到50%时电池性能有所下降,光电转换效率降为5.99%,同时染料吸附量也由73.2 μmol·cm^-2降到70.1 μmol·cm^-2。这表明过量的大颗粒TiO₂刺球散射中心会减少光阳极的比表面积从而降低染料的有效吸附量,并且还会引起不必要的反向散射,只有适量的散射中心才能得到最佳性能的太阳能电池器件。     

染料敏化太阳能电池中低染料吸附浓度下的界面电荷复合效应

在保持染料吸附量不变的条件下,通过增加TiO2薄膜厚度来降低染料在TiO2薄膜表面的吸附浓度.研究了染料吸附浓度与染料敏化太阳能电池(DSC)中界面电荷复合效应的关系.研究发现,在低染料吸附浓度下,DSCs中界面电荷复合效应明显降低,并由此使得DSC在薄膜厚度增加时,仍能保持0.72～0.80的高填充因子;在TiO2光电极有效面积由0.25 cm2增大到1 cm2时,总光电转换效率(η)损失由34.7%减少到19.6%.     

双层结构CeO2光阳极在染料敏化太阳能电池中的应用

利用水热法合成核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球,制备了一系列双层结构复合光阳极并应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)。研究表明：当CeO₂纳米微球和核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球应用于DSSC光阳极散射层时,电池的光电转化效率有了显著提高。相对于纯TiO₂(P25)光阳极,P25/CeO₂纳米球光阳极电池的DSSC光电性能提高了15.3%,P25/Au@SiO₂@CeO₂纳米球光阳极电池的光电性能提高了27.9%。DSSC光电性能的提高主要归因于2个方面：一方面,Au纳米粒子的表面等离子体共振效应有效提高了光阳极薄膜的光散射效应。另一方面,CeO₂具有较高的染料负载能力,核壳球形结构具有较高的比表面积,增强了光的散射效应,提高了电子传输能力。     

双层结构CeO2光阳极在染料敏化太阳能电池中的应用

利用水热法合成核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球,制备了一系列双层结构复合光阳极并应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)。研究表明：当CeO₂纳米微球和核壳结构Au@SiO₂@CeO₂纳米微球应用于DSSC光阳极散射层时,电池的光电转化效率有了显著提高。相对于纯 TiO₂ (P25)光阳极,P25/CeO₂纳米球光阳极电池的 DSSC 光电性能提高了 15.3%,P25/Au@SiO₂@CeO₂纳米球光阳极电池的光电性能提高了27.9%。DSSC光电性能的提高主要归因于2个方面：一方面,Au纳米粒子的表面等离子体共振效应有效提高了光阳极薄膜的光散射效应。另一方面,CeO₂具有较高的染料负载能力,核壳球形结构具有较高的比表面积,增强了光的散射效应,提高了电子传输能力。     

纳米TiO2薄膜光阳极的制备及性能

本文以钛酸正丁酯为前驱物、乙醇作为分散剂、二乙醇胺作为螯合剂、聚乙二醇作为表面活性剂,采用溶胶-凝胶法制备得到一种TiO2溶胶,并通过乙酸或氨水作用后制得另外两种溶胶,分别在室温于ITO导电玻璃上涂制,得到5种单一粒径范围纳米TiO2薄膜和具有两种粒径范围膜层的6种纳米TiO2薄膜;XRD和SEM等测试结果表明,纳米TiO2薄膜为锐钛矿相或锐钛矿与金红石相的混合相,其粒径分布范围在15～30nm,30～50 nm,40～80 nm区间。采用浸渍法将所制备的膜进行染料的敏化,得到染料敏化纳米TiO2薄膜半导体光阳极,测试结果表明,在所制备的纳米TiO2薄膜中,具有两种粒径范围膜层的纳米TiO2薄膜的光电性能相对较好。     

ZnS/SiO2协同包覆光阳极制备高效率Zn-Cu-In-Se量子点敏化太阳能电池

通过光阳极协同包覆的策略抑制Zn-Cu-In-Se(ZCISe)量子点敏化太阳能电池(QDSC)中光阳极/电解液界面上的电荷复合过程,提高电荷收集效率和电池光伏性能。采用溶液法在ZCISe量子点敏化的光阳极表面依次沉积包覆ZnS和SiO₂双钝化层,实现较单一ZnS包覆层更有效的界面电荷复合抑制作用,从而提高QDSC的性能。在包覆ZnS/SiO₂双钝化层后,所组装的ZCISe QDSC光电转换效率由传统单一ZnS包覆的12.17%提高到13.23%,这归因于双钝化层对光阳极/电解液界面电荷复合过程的有效抑制,电荷收集效率得到相应提升。     

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.     

Dye-sensitized solar cells made from BaTiO3-coated TiO2 nanoporous electrodes

We reported on the preparation of a thin BaTiO₃-coated layer (2.27 nm) on the surface of TiO₂ and its further application in the dye-sensitized solar cells (DSCs). The as-prepared BaTiO₃–TiO₂ films were characterized by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscope (TEM). The performances of the DSCs with and without BaTiO₃ coating were analyzed by cyclic voltammograms (CVs), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and current–voltage measurements. It was found that the BaTiO₃–TiO₂ films with about 12 μm thickness increased the dye adsorption, resulting in increased J_sc. In the meantime, the BaTiO₃ modification on the TiO₂ surface is beneficial to the formation of an energy barrier against the electron transfer from TiO₂ to I₃⁻, providing the increase of V_oc due to the increased electron density in the TiO₂ that is caused by the increased electron lifetime.     

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%.     

Effect of Surface Protonation on Device Performance and Dye Stability of Dye-sensitized TiO2 Solar Cell

A flat thin TiO₂ film was employed as the photo-electrode of a dye sensitized solar cell (DSSC), on which only a geometrical mono-layer of dye was attached. The effect of sur-face protonation by HCl chemical treatment on the performance of DSSCs was studied. The results showed that the short-circuit current Jsc increased significantly upon the HCl treatment, while the open-circuit voltage Voc decreased slightly. Compared to the untreated DSSC, the Jsc and energy conversion efficiency was increased by 31% and 25%, respectively, for the 1 mol/L HCl treated cell. TiO₂ surface protonation improved electronic coupling between the chemisorbed dye and the TiO₂ surface, resulting in an enhanced electron in-jection. The decreased open-circuit voltage after TiO₂ surface protonation was mainly due to the TiO₂ conduction band edge downshift and was partially caused by increased electron recombination with the electrolyte. In situ Raman degradation study showed that the dye stability was improved after the TiO₂ surface protonation. The increased dye stability was contributed by the increased electron injection and electron back reaction with the electrolyte under the open-circuit condition.     

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.     

染料敏化太阳电池中的电子传输及复合*

电子传输与复合是染料敏化太阳电池中仍然存在争议的基本物理过程,解决这些争议对于进一步提高染料敏化太阳电池的光伏性能及稳定性是至关重要的。多缺陷理论模型用扩散系数及电子寿命这两个基本物理量准确地描述了染料敏化太阳电池中的电子传输及复合。为了对扩散系数及电子寿命等物理参数进行实验测量,近年来,人们发展出了频域、时域以及稳态等多种实验方法和技术手段,本文对这些方法进行了综述,并分别从纳晶半导体光阳极、电解质以及敏化染料等方面评述了近年来电子传输及复合的相关研究进展。     

吲哚染料的电荷转移和能量转移:应用于无金属的染料敏感太阳能电池

Metal-free indoline dyes for dye-sensitized solar cells were studied by employing quantum chemistry methods.Comparative study of the properties of both ground and excited states of metal-free indoline dyes for dye-sensitized solar cells revealed: (i) as the number of rhodanine rings increases, the energy di?erence betweenHOMO and LUMO decreases and there is a red shift in the absorption spectrum with the binding energyincreased, and the transition dipole moment decreased; (ii) Based on an analysis of charge di?erential density,we observed that the charge and energy are transfered from the phenylethenyl to the indoline and rhodaninerings; (iii) The electron-hole coherences are mainly on the indoline and rhodanine rings, and the exciton sizesare 30 and 40 atoms for indoline dyes with one and two rhodanline rings, respectively. These results serveas a good example of computer-aided design in metal-free indoline dyes for dye-sensitized solar cells.     

Charge Carrier Dynamics in PDPP-F/PCBM Heterojunction Solar Cells

The morphology dependent of migration and recombination kinetics of charge carriers in the polymer solar cell based on poly {2,7'-9,9-dioctylfluorene-alt-5-diethylhexyl-3,6-bis(5-bromothiophen-2-yl)pyrrolo[3,4-c]-pyrrole-1,4-dione}(PDPP-F) was investigated with photo-induced charge carrier extraction by linearly increasing voltage technique. The recombination coefficient of charge carriers decreased and the mobility of charge carriers increased, after the mass ratio of[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM) increased from 3:2 to 2:1. Meanwhile, both of them were sensitive to the applied electric field and could be together responsible for the improvement of voltage performance of polymer solar cell.     

Effects of Metal Oxide Modifications on Photoelectrochemical Properties of Mesoporous TiO2 Nanoparticles Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells

Mesoporous TiO₂ (m-TiO₂) nanoparticles were used to prepare the porous film electrodes for dye-sensitized solar cells, and a second metal oxide (MgO, ZnO, Al₂O₃, or NiO) modifi-cation was carried out by dipping the m-TiO₂ electrode into their respective nitrate solution followed by annealing at 500 oC. Experimental results indicated that the above second metal oxide modifications on m-TiO₂ electrode are shown in all cases to act as barrier layer for the interfacial charge transfer processes, but film electron transport and interfacial charge recombination characteristics under applied bias voltage were dependent significantly on the existing states and kinds of these second metal oxides. Those changes based on sec-ond metal oxide modifications showed good correlation with the current-voltage analyses of dye-sensitized solar cell, and all modifications were found to increase the open-circuit photo-voltage in various degrees, while the MgO, ZnO, and NiO modifications result in 23%, 13%, and 6% improvement in cell conversion efficiency, respectively. The above observations indi-cate that controlling the charge transport and recombination is very important to improve the photovoltaic performance of TiO₂-based solar cell.