《基於染料敏化太陽電池電極設計的理論研究與性能模擬》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由黃陽擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於染料敏化太陽電池電極設計的理論研究與性能模擬
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：黃陽
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
染料敏化太陽電池是一種將光能直接轉化成電能的新型薄膜電池，其生產工藝相對簡單，原材料豐富，具有良好的套用前景。如何明確電池微觀動力學過程，設計合理電極結構，進一步提高其光電轉換效率是大面積染料敏化太陽電池研究中亟需解決的關鍵問題。本項目在現有工作基礎上，結合理論模擬與實驗研究，從改善電池電荷收集效率入手，研究電池微觀動力學過程，探索影響電池光伏性能的微觀參數變化規律；研究電荷在基底導電層與金屬柵極的焦耳損失，分析內部串聯電阻對電池收集效率和光伏性能的影響，探索其光伏性能隨材料性能變化的規律，揭示染料敏化太陽電池電荷收集損失機理；根據電池中光照面積損失與焦耳損失相互制衡關係，明晰電池電極設計對其光伏性能的影響機理，建立反映電池光伏性能的理論模型，為電極設計提供理論指導。通過本項目的研究渴望獲得不同條件下電池性能與微觀參數的對應關係，指導實驗研究，進而提高大面積染料敏化太陽電池光伏性能。
結題摘要
在染料敏化太陽電池走向實用化的過程中，如何提高大面積染料敏化太陽電池(DSC)組件的光電轉換效率是該類電池所面臨的關鍵所在，針對大面積DSC組件光電轉換效率遠低於小面積電池的現狀，需要對電池組件的結構進行合理的最佳化設計。本項目從理論模型出發，研究了電池組件中光採集及光電子的收集對其性能的影響，研究電池內各項主要電阻損耗、電池內部電子傳輸和複合損耗、電極電阻的影響以及其它一些電學參數，建立包括光和電的DSC電池模型；結合電池組件中光損失和電子收集損失，從而提高電池組件效率並獲得最佳結構電池組件。 項目研究中從經典的電動力學Maxwell方程組出發，結合拉普拉斯方程，研究不同結構電池組件中導電基底上的電勢分布，並通過歐姆定律微分形式計算獲得光電子在導電基底、金屬柵極等內部串聯阻抗中的能量損耗。通過紫外-可見分光光度計、2420數字源表、XP-2輪廓儀、四探針測量儀、電化學阻抗譜（EIS）及調製光電壓/光電流譜(IMVS/IMPS)等獲得不同電池中的物理參數及微觀參數；通過改變導電基底可見光透過率、方塊電阻、電極形狀、金屬柵極電阻等條件研究其對電池組件中電流、電壓、填充因子等性能的影響；通過最佳化二氧化鈦納米晶電極及染料的工藝參數，選擇合適的電極形狀，製備了高效率電池組件。 項目通過研究器件的光採集、電子傳輸及收集過程，建立了大面積電池光伏性能理論模型。通過理論模型模擬計算其光伏性能變化，並比較實驗與理論模擬數據，研究表明，原材料性能及電池中的串聯阻抗對大面積DSC的光電轉換效率影響較大，其中串聯阻抗是導致大面積DSC轉換效率遠低於實驗室小面積電池的主要因素。根據環境條件的變化，通過選取合適的導電基底，設計合理的電極結構（包括金屬柵極、光活性層等），在理論模擬的指導下，實驗研究最終成功製備的高效大面積DSC器件效率達到10%以上。項目的研究成果對於染料敏化太陽電池的實用化有著重要意義。
