新型高效叠层及复合染料敏化太阳能电池研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSC)是模拟自然界光合成原理的种新型光伏电池。具有理论光电转换效率高、成本低、制作工艺简单等优点,受到了国内外研究者的广泛关注。虽然其理论光电转换效率被推测为33-36%,但是迄今为止报道的最高效率为11～13%,尚待进一步提高。很多研究者对如何提高光电转换效率进行了广泛研究。其中提高光利用率、拓宽DSC吸收光谱是提高DSC效率的重要手段之一。叠层及复合DSC作为拓宽电池吸收光谱的两种有效的方式,不仅可有效克服协同敏化存在的染料分了问不利的竞争吸附和相互作用,而且以其结构灵活多样、可获得较高开路电压(Voc)或短路电流密度(Jsc)等优点成为国际研究的前沿课题。此外,目前制约叠层DSC光电转换效率大幅提高的因素是未成功开发出高效的器件结构和近红外染料。关于复合DSC的研究报道还比较少,且具有效率不高、制作过程繁琐等不利因素,在一定程度上限制了其应用。针对目前应用于DSC的近红外染料存在的近红外光利用不允分、吸收范围窄、效率低等问题,需开发具有强、宽近红外吸收的染料。因此,本论文的研究重点是设计研究新型高效的叠层及复合DSC,探索具有强、宽近红外吸收的染料应用于DSC。 本论文首先设计构建了以下三种不同结构的叠层DSC：四电极交叉式、四电极背靠背式及三电极面对面式,系统研究了三种叠层DSC的性能、顶层及底层电池效率的影响因素。证实了叠层DSC短路电流密度及效率的叠加特件。叠层DSC中顶层电池光阳极及对电极是影响顶层电池效率的主要因素。底层电池效率则受不同结构叠层DSC透光率、顶层光阳极透光率及对电极等因素影响。叠层DSC整体效率约为顶层和底层电池效率之和。 其次设计开发了一种基于膜转移方法的新型复合DSC,对其进行了高效化、结构有效性等研究,并对染料间相互作用及Voc机理作了初步探讨。研究发现新型复合结构有效拓宽了电池的吸收光谱,其单色光光电转换效率(IPCE)及Jsc为复合光阳极两部分值的叠加,获得了11.05%的效率,充分证实了复合结构的有效性。通过光电化学性质研究分析了复合DSC获得较高Voc的原因TiO2/染料/电解质界面的背反应等。最后,将复合DSC与叠层DSC、染料协同敏化电池进行了对比,结果表明新型复合DSC具有最高的光电转换效率。这部分是本论文的核心部分,开发的复合电池为新型结构,有效实现了光谱的扩展及效率的大幅提高。 最后设计合成了四种具有不同取代基的硫代双烯镍配合物,对其进行了表征,系统研究了化合物的结构特性、热稳定性、电化学、光化学等性质。研究表明合成的硫代双烯镍配合物具有较好的热稳定性,在700～1100 nm具有较强吸收,具有较高的摩尔消光系数。取代綦效应及溶剂效应均对λmax产生影响。通过施加偏压,对硫代双烯镍配合物的各种价态进行了归属。电化学研究结果表明硫代双烯镍配合物具有良好的可逆氧化还原特性。使用密度泛函理论(DFT)计算了化合物的能级及电子云分布。将硫代双烯镍配合物应用于DSC,证实了此类近红外染料应用于DSC的可行性。