鹼土離子摻雜染料敏化太陽電池穩定性機理的研究

《鹼土離子摻雜染料敏化太陽電池穩定性機理的研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由張昌能擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鹼土離子摻雜染料敏化太陽電池穩定性機理的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張昌能
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

染料敏化太陽電池是一種新型薄膜電池，其生產工藝相對簡單，原材料豐富，易於規模化生產，具有良好的套用前景。如何進一步提高其穩定性和轉換效率是關乎染料敏化太陽電池發展的重要課題。本項目在現有工作的基礎上，採用改進的溶膠-凝膠方法合成可控形貌和尺寸的鹼土離子（Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+）摻雜納晶TiO2、ZnO半導體材料，探索鹼土離子摻雜納晶薄膜中缺陷態對半導體能帶結構和電極界面性能的影響規律，建立納晶TiO2、ZnO半導體的摻雜模型，考察染料敏化太陽電池中光生電子在摻雜納晶薄膜內部產生、輸運及複合等微觀過程，揭示穩定高效的太陽電池光電性能與鹼土離子摻雜間的影響關係及其作用機理等。本項目研究可望獲得電荷傳輸快、界面複合小並且具有獨特結構的鹼土離子摻雜納晶半導體多孔薄膜電極，進而製備出轉換效率高、性能穩定的染料敏化太陽電池。

結題摘要

染料敏化太陽電池（DSC）通過製備工藝改進和新材料探索，其光電轉換效率已超過13%，顯示其良好套用前景。作為DSC關鍵材料的納米TiO2多孔薄膜電極特性直接影響表面染料吸附以及薄膜內電子傳輸，並影響電池效率及穩定性。常採用異價摻雜、表面修飾等方法最佳化半導體薄膜的理化性質，提高薄膜內光電子傳輸以改善電池的光電轉換效率。 本項目研究從改善電池穩定性出發，採用改進的溶膠-凝膠方法製備鹼土離子摻雜納米TiO2染料敏化太陽電池，通過鹼土摻雜製備納米TiO2半導體材料尺寸可控，發現摻雜電池能有效提高DSC的長期連續抗紫外穩定性。本項目詳細分析摻雜納米TiO2半導體界面微結構影響電池性能和長期穩定性，系統研究摻雜電池內部微觀電子傳輸、複合動力學過程以及電池界面穩定性影響機制等。通過深入研究摻雜電池光熱條件和電解質中離子等作用機理，並對電池界面穩定性的可能機制展開相關研究，闡明摻雜引起納米TiO2缺陷態和能級結構的影響，獲得電池內部微觀電子動力學參數與系列電解質組成的對應關係，嘗試共摻雜和下轉換拓寬光譜改進DSC性能的可能途徑。 本項目主要基於Mg2+摻雜納米TiO2電池研究電極材料及界面穩定性機理，實驗發現Mg2+摻雜納米TiO2電池紫外老化90天后電池光電轉換效率基本保持不變，相比較紫外老化不超過20天的常規不摻雜納米半導體太陽電池，阻抗實驗表明摻雜TiO2中電子傳輸電阻減小，且摻雜TiO2/電解質界面躍遷電阻和界面電容穩定。在此基礎上，選取界面性能穩定的Mg2+摻雜電池，從摻雜納米TiO2電極和電解質角度研究暗電流抑制劑、電解質陽離子、大體積離子液體離子等從半導體表面脫附或者被消耗對界面微結構和電池的性能影響機制，建立一個基於半導體薄膜/電解質界面的簡單模型，此項研究提出分子水平探索界面微觀結構思路，這些工作必將對DSC的研究與開發套用有所促進。