《高效有機染料敏化納米晶三元氧化物太陽能電池》是依託福州大學，由魏明燈擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：高效有機染料敏化納米晶三元氧化物太陽能電池
- 依託單位：福州大學
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：魏明燈
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
圍繞著獲得具有自主智慧財產權的光電轉換材料體系，設計合成系列三元半導體氧化物，利用其光穩定性，並結合有機染料分子的特性，研製出高效率、低成本、長壽命和環境友好的有機染料敏化三元氧化物太陽能電池(DSC)。基於三元半導體氧化物的能級可調控特性，通過導入金屬離子，實現摻雜和改變能級，並構建其能級調控體系。同時，研究三元半導體氧化物和寬吸收光譜有機染料分子之間的相互作用，實現電極材料與染料分子之間的能級最佳匹配，以提高電池的光電性能。進一步，利用金屬有機框架(MOF)等材料對三元氧化物電極表面進行修飾，以提高吸附染料能力、抑制電荷複合、最佳化DSC的構成和改善光電性能，實現DSC的高效率化。進而揭示三元氧化物的能級變化、表面修飾等對DSC光電性能影響的規律，闡明電子輸運機理和電荷複合機制，為提高DSC的光電性能提供新的研究思路和設計合成新型多元氧化物電極材料奠定理論基礎，具有重要的學術和實用意義。
結題摘要
本項目圍繞著獲得具有自主智慧財產權的光電轉換材料體系，設計合成系列三元半導體氧化物和有機染料分子，通過調控和匹配它們的能級，研製高性能的有機染料敏化三元氧化物太陽能電池。首先，設計合成系列純有機染料分子(Phenylene-Thiophene-Phenylene; PSP)，通過在芳胺中引入苯環、甲氧基以及烷基等給電子基團，形成對光吸收較強的大π共軛單元，提高吸收光能力(300-600nm)。同時，設計合成系列三元半導體氧化物，並通過金屬離子摻雜等手段，實現三元氧化物能級的變化。例如，Zn2SnO4中引入Ba2+/Sr2+，實現能級調控。但是，隨著摻雜量的增加，Zn2SnO4的費米能級與電解液中氧化還原電位之差減小，導致開路電壓減小。進一步，利用本項目中合成的三元氧化物和有機染料組裝電池，開展了光電性能的研究，並探索三元氧化物與有機染料分子之間的能級匹配，從而最佳化器件的組成。例如，改性有機染料N-PSP為敏化劑，Ba2+/Sr2+摻雜Zn2SnO4為電極薄膜組裝器件，最高光電轉換效率達到4.9%，比N719染料敏化器件的效率高，說明通過三元氧化物和有機染料分子能級匹配的調控，可以提高三元氧化物基電池的性能。基於三元氧化物的特性，本項目中探索其在鈣鈦礦型太陽電池中的套用。首次把三元氧化物Zn2Ti3O8作為介孔層，使鈣鈦礦型電池的光電轉換效率達到17.21%。這是由於Zn2Ti3O8具有降低的導帶位置和較高的價帶位置，既有助於提高電子注入動力又可以減少陽極附近電子的反向複合，也就是電子-空穴分離能力強、電子傳輸更快和電荷複合弱等特性。尤其是，三元氧化物H2Ti3O7作為介孔層不但使最高效率達到17.61% (70塊電池的平均光電轉化效率高達16.73%)，還能夠基本消除I-V曲線的滯後現象，這一發現可為研製高穩定性的鈣鈦礦型電池提供實驗依據。同時，三元氧化物引入鈣鈦礦太陽能電池中，豐富了介孔層材料體系，也能為電池材料形成合理的能級階段創造條件，提高電子傳輸速度和抑制電荷複合，從而改善器件性能。
