高效有机染料敏化太阳能电池界面电荷转移动力学研究

摘要

太阳能由于其安全、清洁、可持续和潜力巨大等优点，现在已经成为新能源领域最受瞩目的方案之一。自太阳能电池诞生之日起，在世界光伏市场占据统治地位的一直是硅基太阳能电池。但硅基太阳能能电池生产过程中需要高纯硅作为原料，生产成本一直无法下降，限制了其进一步推广发展。染料敏化太阳能电池由于其生产工艺简单，成本低，低毒无污染，可柔性加工的显著优点，成为了第三代太阳能电池的代表。在本文中，我们通过对D-A型染料分子给体的逐步修饰，获得一系列染料分子，探究其电荷转移动力学过程对器件性能的影响。具体内容如下：
　　通过逐步扩展染料分子给体的π共轭骨架长度，获得了 C276，C296，C298和C281染料分子，并以其作为研究对象，探究染料分子结构对染料敏化太阳能电池工作的各个动力学过程及器件最终表现的影响。
　　（一）采用飞秒荧光上转换光谱和时间相关单光子计数（TCSPC）技术相结合的方法，测量了C276、C296、C298和C281染料分子在溶液中的激发态发光动力学。测试结果表明C276、C296、C298和C281四种染料分子在溶液中的平衡振幅平均寿命（-τ）分别为763.1 ps，1220 ps，862 ps和430 ps，证明了刚性分子结构对振转弛豫过程抑制有利于染料分子激发态寿命的提高。进一步对四种染料分子在氧化物薄膜上的动力学过程进行研究，计算出它们的荧光淬灭产率（QY）分别为94.6%，94.1%，94.8%和94.6%，电子注入时间常数（τei）分别为35.8 ps，41.4 ps，87.9 ps和12.6 ps，并以此为依据建立了染料敏化太阳能电池中，激发态载流子注入的物理模型。
　　（二）应用光谱电化学方法和纳秒瞬态光谱对空穴注入动力学过程进行研究，分析二氧化钛/氧化态染料分子复合动力学过程和空穴注入动力学过程的竞争机制，得出C276、C296、C298和C281四种染料分子的空穴注入效率分别为97%，97%，98%和96%。有效的空穴注入得益于四种染料分子合适的HOMO能级分布。
　　（三）测得以C276、C296、C298和C281染料分子作为敏化剂制作的染料敏化太阳能电池的能量转换效率分别为9.0%、12.0%、12.0%和13.1%。其中 C296染料分子的器件短路电流较 C276染料分子器件，C281染料分子的器件短路电流较 C298染料分子器件均有明显提升。证明了通过适当地拓展 D-A型染料分子给体的π共轭骨架，增强分子刚性，可以实现对染料分子激发态的有效控制，利于电子的充分注入并扩展染料敏化太阳能电池的光谱响应范围，提高短路电流。同时，也验证了染料分子的结构会对其在光阳极表面形成单分子膜的质量造成影响，进而影响界面电荷复合过程，并改变开路电压。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 太阳能电池的分类

1.3染料敏化太阳能电池简介

1.4 有机染料国内外研究进展

1.5本文主要研究内容

第2章 实验步骤及分析方法

2.1 实验药品与仪器

2.2 实验步骤

第3章 基于C276和C296染料分子的染料敏化太阳能电池性能研究

3.1 C276和C296染料分子的基本性质

3.2紫外可见吸收光谱及稳态发射光谱

3.3 C276和C296染料分子激发态动力学的研究

3.4 C276和C296染料分子电子注入动力学的研究

3.5 C276和C296染料分子空穴注入动力学的研究

3.6 C276和C296染料分子器件性能的研究

3.7 本章小结

第4章 基于C298和C281染料分子的染料敏化太阳能电池性能研究

4.1 C298和C281染料分子的基本性质

4.2 紫外可见吸收光谱和稳态发射谱

4.3 C298和C281染料分子激发态动力学的研究

4.4 C298和C281染料分子电子注入动力学的研究

4.5 C298和C281染料分子空穴注入动力学的研究

4.6 C298和C281染料分子器件性能的研究

4.7 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢