納米結構氧化鋅基柔性型染料敏化太陽能電池的研究

《納米結構氧化鋅基柔性型染料敏化太陽能電池的研究》是依託福州大學，由魏明燈擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米結構氧化鋅基柔性型染料敏化太陽能電池的研究
• 依託單位：福州大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：魏明燈

項目摘要

納米結構ZnO具有形貌可控、低溫成膜、遷移率大等特點，適用於製備柔性型染料敏化太陽能電池。但是，ZnO電極表面上吸附的釕基染料分子容易產生聚集形成〔[dyeCOO-]2Zn2+〕，導致電池效率下降。本申請擬將金屬離子或基團直接導入染料分子的羧酸基團上，消除酸性產生的因素；在ZnO電極表面上修飾耐酸型半導體三元氧化物，避免ZnO表面被溶解生成Zn2+離子。同時，擬採用超臨界等技術處理ZnO電極薄膜，提高其緻密度和改善粒子間的連線，以提高光電流密度和開路電壓。進而解析染料分子的羧酸基團與ZnO電極產生相互作用的過程和機理、揭示基團修飾後的染料分子對電子注入、LUMO-HOMO能級、電子遷徙和擴散等影響規律以及ZnO電極與染料分子之間的最佳能級匹配方式。這些研究將對新染料分子的結構設計與合成、促進ZnO基染料敏化太陽能電池的高效率化，提供了一種思路。

結題摘要

ZnO基電池的光電轉化效率還不高，原因是其表面溶解生成Zn2＋離子，並促使吸附在電極表面上的染料分子形成〔[dyeCOO-]2Zn2+〕聚集而導致光電效率下降。針對這一問題，從兩個方面入手開展研究：①對染料分子中的羧酸基團進行改造，以消除產生酸性的根源，充分地利用吸附在電極薄膜表面上的染料，以獲得大光電流；②在ZnO電極表面上修飾耐酸性的半導體等薄層，避免在ZnO電解質溶液中被溶解。同時，使修飾的薄層又能夠形成一個能級勢壘來降低電荷複合，以提高電池的開路電壓。總之，圍繞著抑制酸性產生的因素和防止ZnO表面被溶解，開展相關內容的研究，並獲得了預期效果。首先，以Na+取代/部分取代釕基染料N719/N3的羧基基團，獲得改性的N719/N3染料，並作為敏化劑；其次，合成了ZnO量子點、介晶、納米粒子等，並作為電極材料。基於研究計畫，我們組裝了柔性型ZnO基染料敏化太陽能電池，考察其光電性能。研究發現，改性N719染料和ZnO量子點組裝柔性型電池的效率達到2.94%，比N719染料敏化的樣品高，並證實了改性的染料可以抑制ZnO膜的腐蝕作用，減少Zn2+/N719團聚，從而提高電池的性能(RSC Adv., 2012, 2, 9565)。改性的N3染料呈現出同樣的結果。另一方面，在ZnO電極膜表面上修飾一層耐酸性三元半導體氧化物Zn2SnO4量子點，使效率有了明顯的改善(Chem. Eur. J. 2012, 18, 11716)。主要原因如下：(i)由於耐酸層抑制了Zn2+產生而減少Zn2+/dye聚集，從而提高Jsc; (ii)表面修飾形成部分摻雜，導致平帶位負移0.1V，提高了Voc；(iii) 界面阻抗增大，電荷複合被有效抑制。研究發現，三元半導體氧化物不僅具有耐酸性，也是一種理想的電極材料。開展三元半導體如Zn2SnO4等光電性能的研究，並證實了其帶隙可調的特性(Electrochim. Acta, 2011, 56, 9257)。此外，在Zn2SnO4表面修飾研究中發現金屬有機框架材料(MOF)能有效地改變界面阻抗(CrystEngCom, 2012, 14, 2112)，並首次套用於染料敏化太陽能電池。MOF修飾的TiO2基電池電荷複合能被有效地抑制，其厚度與Voc成線性關係(J. Mater. Chem., 2011, 21, 17259)。