基于碘基和鈷基電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池的研究.pdf

1、1991年，瑞士科學(xué)家Michael Gr?tzel報道了染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cells，DSCs），在模擬太陽光的照射下，獲得了7.1-7.9％的光電轉(zhuǎn)換效率。該類電池與傳統(tǒng)的晶硅類太陽能電池相比，加工工藝簡單，制造成本低廉，為人類大規(guī)模利用太陽能提供了新的途徑。此后，DSCs成為太陽能光伏應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，絕大部分光敏染料的設(shè)計、合成主要集中于碘基電解質(zhì)，而碘電解質(zhì)自身的缺陷限制了

2、DSCs光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高，研究發(fā)現(xiàn)，采用鈷電解質(zhì)可以降低太陽能電池生產(chǎn)成本，并且更加環(huán)保。但是僅僅用鈷電解質(zhì)代替碘電解質(zhì)，電池性能并未得到提高。目前，基于兩種電解質(zhì)的光敏染料的研究報道還很少。為了進(jìn)一步提高DSCs的性能，需要探索染料在兩種電解質(zhì)中的構(gòu)效關(guān)系及協(xié)同作用機(jī)制，使光敏染料和電解質(zhì)協(xié)同配合，以促進(jìn)染料分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計。
　　基于上述分析，本論文的研究主要包括以下內(nèi)容：（1）設(shè)計、合成四種新型有機(jī)染料M14、M

3、24、XS51和XS52，旨在提高染料的光捕獲能力和抑制電子復(fù)合的能力，使其適用于鈷電解質(zhì)。染料M14和M24以三聚茚修飾的三芳胺為供電基團(tuán)，XS51以己氧基修飾的三芳胺為供電基團(tuán)，XS52以二氫吲哚為供電基團(tuán)，四種染料都是以氰基乙酸為電子受體，以環(huán)氧噻吩（EDOT）為π共軛橋結(jié)構(gòu)。染料經(jīng)過溴化、偶聯(lián)、威爾斯邁爾反應(yīng)和Knoevenagel縮合等反應(yīng)合成。對四種染料以及它們的中間體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，證明了染料結(jié)構(gòu)的正確性；（2）用染料M1

4、4、M24、XS51和XS52制作了基于碘基電解質(zhì)和鈷基電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池，包括二氧化鈦薄膜電極、對電極的制備、敏化過程、電解質(zhì)注入過程和封裝過程；（3）測試了電池的光伏性能，進(jìn)行了密度泛函和含時密度泛函計算，結(jié)合測試數(shù)據(jù)分析了染料的結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)種類對電池性能的影響及二者的協(xié)同作用機(jī)制。
　　基于有機(jī)染料M14和M24，論文中詳細(xì)分析了三聚茚基作為給體時，其烷鏈長度對碘基和鈷基電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池的光電性能的影響。使

5、用碘電解質(zhì)時，丙基染料M14制成的電池比己基染料M24電池表現(xiàn)出更大的短路電流Jsc和更高的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），由于前者吸附的染料量大、電子壽命相當(dāng)。然而，M24敏化的鈷電池的性能優(yōu)于M14電池，主要是由于前者電子壽命顯著增加。強(qiáng)度調(diào)制光電壓譜（IMVS）數(shù)據(jù)表明，鈷電池的電子壽命主要取決于烷鏈的長度；而碘電池的電子壽命受烷鏈的影響并不明顯。電子濃度和電子壽命數(shù)據(jù)也證明了電池的光電性能和電解質(zhì)中4-叔丁基吡啶（TBP）濃度的關(guān)系也與

6、烷鏈長度有關(guān)。還分析了導(dǎo)帶遷移和電子壽命與TBP濃度之間的關(guān)系。隨著TBP濃度的增加，M14電池的光電流Jsc降低，而M24電池的光電流Jsc變化不大。密度泛函DFT和含時密度泛函TDDFT計算結(jié)果表明，光照后給體中的電子可以連續(xù)地轉(zhuǎn)移到受體部分，然后注入到二氧化鈦的導(dǎo)帶。使用鈷電解質(zhì)E2的M14電池，其短路電流密度Jsc、開路電壓Voc、填充因子FF分別是10.7mA cm-2、846mV和0.71，總的光電轉(zhuǎn)化效率PCE為6.42%

7、。相比之下，引入了長烷鏈的M24電池的開路電壓顯著提高了近100mV，總的光電轉(zhuǎn)化效率提高到了7.86%。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為在未來的鈷電池有機(jī)染料的發(fā)展過程中，給體部分帶有長烷鏈的有機(jī)染料應(yīng)作為首選。
　　基于三芳胺染料XS51和二氫吲哚染料XS52，研究了染料結(jié)構(gòu)對光物理性質(zhì)、電化學(xué)性質(zhì)和電池性能的影響。同XS51相比，XS52顯示出吸收光譜的紅移和更高的分子消光系數(shù)。由于二氫吲哚的給電子能力強(qiáng)，XS52電池的短路電流Jsc

8、更大。含有四個己氧基的三芳胺染料XS51表現(xiàn)出較好的位阻和較高的光電壓。二氫吲哚部分的兩個己氧基不足以阻止電池中二氧化鈦和電解質(zhì)界面的電子復(fù)合，因此，XS52與XS51相比，開路電壓Voc略有下降。在AM1.5（100mW cm-2）光強(qiáng)下，采用鈷電解質(zhì)時，XS51電池的光電轉(zhuǎn)換效率PCE為5.88%，短路電流Jsc為10.5mA cm-2，開路電壓Voc為862mV，填充因子FF為0.65。XS52電池短路電流增加到11.5mA cm