介觀太陽能電池中吸光材料的設計、合成及性能優(yōu)化.pdf

1、介觀太陽能電池（MSC）按照吸光材料的不同分為染料敏化太陽能電池（DSSC）和介觀鈣鈦礦太陽能電池（MPSC）等。MSC因其具有成本低、制備工藝簡單、效率高等優(yōu)點而備受關注。然而，傳統(tǒng)MSC一般使用貴金屬作為對電極，這在一定程度上限制了這種電池的大規(guī)模商業(yè)化應用。為此，使用低廉的碳電極取代貴金屬電極的全絲網印刷MSC具有巨大的應用前景。吸光材料作為MSC的重要組成部分，對器件性能起著決定性的作用。因此，本文主要針對基于碳電極的全絲網印刷

2、MSC吸光材料開展研究工作。
　　本研究主要內容包括：⑴以卟啉為骨架結構，保持YD2-o-C8的上下兩個內消旋位置的支鏈結構及固定基不變，在與固定基相反的內消旋位置引入含不同烷基鏈的三苯胺作為供體，設計合成了卟啉染料WH-C1和WH-C2，作為對比合成了參比染料YD20，之后將這些染料應用于以鉑為對電極的雙基板DSSC。系統(tǒng)地研究了不同烷基鏈（如甲基、甲氧基和己氧基）對染料光學物理性能、電化學性能和器件性能的影響。結果發(fā)現：卟啉染

3、料的摩爾消光系數隨著烷基鏈的增長而增加；基于卟啉染料WH-C1、YD20和WH-C2電池的入射光電轉換效率（IPCE）、短路電流（Jsc）和開路電壓（Voc）的大小順序為WH-C1﹤YD20﹤WH-C2?？傊?，在一個標準太陽光條件下，基于WH-C2的電池獲得了7.77％的光電轉換效率（PCE），Jsc為13.10 mAcm-2，Voc為831.10 mV，填充因子（fill factor，FF）為0.70。⑵以卟啉為骨架結構，保持YD2

4、-o-C8的上下兩個內消旋位置的支鏈結構及固定基不變，在與固定基相反的內消旋位置引入不同電負性基團設計合成了卟啉染料WH-C3、WH-C4和WH-C5，系統(tǒng)地研究了不同電負性基團對卟啉染料的光學物理性能、電化學性能和相應電池光伏性能的影響。電化學測試表明染料的HOMO和LUMO能級可以通過有機基團的電負性來調節(jié)。電流-電壓測試表明WH-C3、WH-C4和WH-C5基電池的Jsc和 Voc隨著有機結構單元給電子能力的提高而增加，順序為WH

5、-C3﹤WH-C4﹤WH-C5。其中，基于WH-C5的電池得到了5%的最高 PCE，Jsc為11.43mAcm-2，Voc為633.84mV，FF為0.69。⑶以卟啉為骨架結構，保持YD2-o-C8的上下兩個內消旋位置的支鏈結構及固定基不變，設計合成了四個含不同供體和固定基導向的卟啉染料WH-C1、WH-C4、WH-C6和WH-C7。系統(tǒng)地研究了不同固定基導向對卟啉染料的光學物理性能、電化學性能和相應電池光伏性能的影響。結果發(fā)現，固定基

6、在間位的染料 WH-C6和WH-C7與固定基在對位的染料WH-C4和WH-C1相比光學和電化學性能有很大的差異。與WH-C4和WH-C1相比，WH-C6和WH-C7顯示了更低的Jsc和Voc。紫外吸收光譜和染料吸附測試結果表明，將羧酸固定基引入到苯環(huán)的間位：降低了染料分子的共軛程度，使得染料分子的吸光能力變差，吸收藍移，降低了染料的光捕獲效率；增加了染料吸附時的空間位阻，減少了染料的吸附量。光捕獲效率的降低和染料吸附量的減少共同導致了器

7、件短路電流的降低。電化學阻抗譜結果表明，將羧酸固定基引入到苯環(huán)的間位加速了電子復合反應，進而降低了器件的開路電壓。⑷使用低成本無毒同時具有路易斯酸堿性的分子二氰二胺（d icya nd ia mide, DCDA）原位鈍化MAPb I3中殘留的Pb2+、I-和MA+。結果發(fā)現用DCDA處理的器件的Voc和 FF得到了大幅度的提高。電化學阻抗譜和強度調制光電壓譜表明，使用DCDA鈍化的器件擁有更長的電子壽命，同時將電池的平均效率從9.75

8、%提高到11.44%。在一個標準太陽光條件下，基于 DCDA處理的器件實現了12.50%的最高PCE。⑸盡管基于貴金屬電極的MPSC通過溶劑設計方法已經實現了很高的PCE，但是有關系統(tǒng)地研究溶劑對鈣鈦礦太陽能電池（PSC）性能影響的文章還未見報道。通過使用溶劑設計方法來優(yōu)化本征鈣鈦礦（MAPbI3）材料的制備，進而優(yōu)化了無空穴傳輸材料全絲網印刷 MPSC的光伏性能。首先，接觸角測試表明基于不同溶劑的鈣鈦礦前驅體溶液對器件薄膜的潤濕性有很

9、大的影響，這是由溶劑的極性和粘度差異造成的。其次，XRD和FTIR結果證實不同中間相的存在，不同中間相的穩(wěn)定性主要受到不同溶劑分子和 PbI2之間配位能力的影響，其中溶劑的配位能力主要由溶劑中S=O和C=O的電子云密度和空間位阻決定。SEM結果表明前驅體溶液對器件薄膜的潤濕性和中間相的穩(wěn)定性共同影響鈣鈦礦在介孔薄膜中的結晶和填充。由于混合溶劑DMF/DMSO(0.93:0.07, v/v)在極性、粘度、潤濕性和配位能力這幾個因素的折中，

10、基于優(yōu)化的DMF/DMSO(0.93:0.07)器件取得了13.89%的PCE。⑹設計合成了一系列不同比例的混合陰離子鈣鈦礦MAPbI(3?x)(BF4)x吸光材料并應用于無空穴導體全絲網印刷MPSC。分別使用UV、SEM、Hall效應和 XRD測試方法表征了所合成新型鈣鈦礦材料的吸光能力、填充、電學性能和晶型。BF4-在純碘鈣鈦礦MAPbI3中的使用顯著地改善了鈣鈦礦的光學和電學性能，例如光捕獲能力、載流子濃度和電導率，并將PCE從1