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有机物的调控对染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的影响

白思航  
【摘要】:本论文着眼于有机物的合成与调控及其在染料敏化太阳能电池(DSSC)和钙钛矿太阳能电池(PSC)中的应用,试图进一步降低成本,提高对光的利用率和电池的稳定性,主要研究内容如下:咪唑碘盐相对Lil而言,具有廉价,低挥发性等优点,是一种良好的碘源。我们基于不同链长的咪唑阳离子合成了三种双咪唑碘盐1,1’-亚甲基-双咪唑鎓碘盐(MIDI)、1,1’-亚甲基-双(N-甲基咪唑鎓)碘盐(MMIDI)、1,1’-亚甲基-双(N-乙基咪唑鎓)碘盐(MEIDI),并用它们取代了传统的Lil作为碘离子源,配制成低挥发性的液态电解质应用在DSSC中,更重要的是研究了不同链长的阳离子对DSSC电池性能的影响。我们发现基于链长最长的MEIDI电解质的DSSC得到最长的电子寿命以及最大的开路电压,原因为咪唑碘盐的阳离子越大,其与电荷之间的静电相互作用越强,与此同时更长的咪唑阳离子在光阳极中扩散能力越弱,阻碍电子在Ti02和电解质中的复合。我们通过对不同电解质电化学表征了解到咪唑阳离子链长越短,对应的I-/13-氧化还原电对的催化活性越强,验证了拥有最短链长的MIDI电解质得到了最高的短路电流(11.60 mA cm-2)。考虑到不同咪唑碘盐组成的DSSC内部传输电阻的影响,基于较短基团的MIDI电解质具有最优异电化学性能,得到了5.05%的光电转换性能。通过最简单的方法在传统液态电解质中直接加入有机荧光物质花,制备出一种新型的液态发光电解质,并将其应用在DSSC中。茈具有极强的下转换作用,能将较短波长的近紫外光(350-440 n.rn)转换为较长波段的可见光(450-550 nm)且花的量子产率近乎完美,几乎能将所有的近紫外光全部转换为450-550 nm的可见光,恰好染料对450-550 nm波段的光的吸收能力较近紫外波长的光的吸收能力强。通过花的荧光效应,间接地提高了染料对光的利用率。通过对电解质中茈浓度的优化,当茈的浓度为0.05M时,显著提高了电池的光电转换效率,电池的能量转换效率提高了11%。设计了一种简单廉价的以Carbon作为对电极材料,HTM-free的钙钛矿结构(Mesoscopic TiO2/Perovskite/Carbon),节约成本的同时,克服了阻挡层阻碍电子传输的缺点,还提高了电池的稳定性。为了提高钙钛矿对光的利用率,我们引入了FAI和MAI的混合物作为A位阳离子,随着FAI的加入钙钛矿材料的晶相并未发生变化,仅仅改变的是晶格参数,更小的禁带宽度意味着钙钛矿材料提高了对光的吸收,同时cubic:column结构的钙钛矿的不断生成,此结构覆盖率高且具有电子传输通道,能够减少电子的复合,最终得到了13.03%的光电转换效率,较纯的MAPbI3效率提高了4.3%,与此同时FAI的引入提高了PSC的长程稳定性和热稳定性。


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