高效率染料敏化太阳能电池的电荷传输与复合机理研究

【摘要】：被称为第三代新型太阳能电池的染料敏化太阳能电池（DSC）具有广阔的研究和应用前景。目前DSC光电转换效率主要受到光生电荷在电池内部的收集效率偏低带来的短路电流密度的限制。影响DSC电荷收集效率的主要原因为电池内部的电荷传输速率与复合反应的竞争。因此，本论文紧密围绕DSC内部的电荷传输与界面电荷转移过程，着重研究了离子液体电解质、单晶纳米材料光阳极、纳米对电极材料的电荷传输与转移机理，及其相应DSC电池的光电性能的影响机制。 系统研究了离子液体电解质中表观粘度、组成结构对I_3~-离子扩散系数、电荷寿命以及电荷扩散系数的影响机制。研究结果表明，离子液体阴离子结构显著影响了电解质的扩散行为，并改变了氧化钛光阳极内的电荷寿命；阳离子则会因在氧化钛电极表面的吸附而影响电荷扩散系数。 采用金红石单晶纳米棒复合结构光阳极、高活性（001）晶面调制单晶纳米颗粒光阳极组装DSC电池，光电性能较相同比表面积P25光阳极显著提高。光电流的提高主要原因分别为单晶纳米棒的光散射效果以及低维单晶材料在光阳极内部提供的电荷传输通道而带来的电荷收集效率的提高，以及（001）晶面单晶纳米颗粒显著提高的染料吸附量。这为高效DSC电池的制备提供了崭新的研究思路和实验基础。 采用低温化学沉积方法制备纳米Pt/TiO2复合对电极，其电化学活性表面积显著增加，界面电荷转移电阻降为常规铂电极的25%。首次将垂直定向单壁碳纳米管阵列对电极应用于硫醇盐氧化还原电对（T2/T－）电解质和多硫电解质中。电化学结果表明，三维结构的碳纳米管定向阵列电极表现出了远优于常规铂电极的催化活性，大大降低了电解质在对电极界面的电荷转移电阻，并获得了远高于相同条件下铂电极组装DSC的填充因子和短路电流密度。这为适用于非碘体系电解质DSC和量子点敏化太阳能电池（QDSC）的对电极材料的开发和设计提供了新的研究方向。