染料敏化太阳能电池的界面电子转移行为与调控机制

摘要

太阳能是一种清洁、廉价且储量丰富的可再生绿色能源。目前，人类对太阳能的利用主要通过光伏电池实现。染料敏化太阳能电池（DSCs）是第三代有机光伏电池之一，取材广泛、成本低，制备工艺简单，对DSCs的研究也一直在进行。然而，由于染敏电池内部复杂的电荷传输特性，目前对于敏化剂在TiO2界面的电子传输行为机制以及敏化剂在电荷复合反应中扮演的角色尚有争议。因此，本文着重研究了敏化剂在TiO2表面抑制复合损失的作用，以及对敏化剂脱附之后修复电池性能的可行性。 本文研究了基于钴电解质的DSCs中有机敏化剂层的自组装，以揭示其在减少电荷复合损失中的作用。使用非碱性溶剂，通过染料脱附法制备了不同染料负载量的DSCs。傅里叶变换红外光谱和紫外光谱分析表明，锚定有机敏化剂的发生去质子化，改变了表面电位的变化，从而显著影响TiO2的导带。我们证明了导带的正向带边缘位移和复合速率常数的减小是开路下能量损失的主要因素。相比之下，吸收光子转换效率（APCE）的分析，则表明锚定敏化剂的填充在减少短路复合损失中的关键作用。数值模拟进一步支持了这一点，这表明APCE主要取决于复合速率常数，而不是短路带边移。这些结果表明敏化剂分子中引入绝缘基团，通过自组装形成重叠的分子层，可以有效抑制DSCs中电荷复合行为。 采用鹅去氧胆酸（CDCA）和一系列硅烷分子分别处理脱吸部分染料后的薄膜，分析了染料部分脱附后恢复光伏性能的可行性。在不同染料负载量下，CDCA和硅烷分子均能够有效的抑制电子复合，实现光电流和光电压的提高。比较不同光强条件下的电流-电压响应曲线以及单色光转换效率测量结果，发现CDCA分子能够填补染料脱附在TiO2表面留下的空位，降低界面电子转移速率，进而提高电池的光电转换效率。与此同时，高光强下的光电流响应规律与低光强下相反。由电化学阻抗（EIS）分析可知，CDCA与有机光敏剂存在竞争吸附，导致部分染料从TiO2表面解离，致使薄膜内钴配体的输运通道变窄，从而发生扩散受限现象，抑制了光电流的提高。与此同时，硅烷处理薄膜能够有效地防止了注入电子与电解质中的电子受体发生复合。而且电流-电压响应的测量结果并未显示硅烷与染料分子存在竞争吸附关系。即便在高光强下，硅烷处理的电池也未观察到电解质的扩散受限现象，进而证实了硅烷处理对提高电池光电流的有效性。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 DSCs研究的背景

1.2 染料敏化太阳能电池（DSCs）的通用机制

1.3 染料敏化太阳能电池(DSCs)性能的评价指标

1.4 光阳极中染料的锚定集团

1.5 对电极

1.6 DSCs界面电荷复合

1.7 部分染料负载TiO2的方法及对电池的影响

1.8 论文选题依据和主要研究内容

第二章 实验部分

2.1 药品及仪器

2.2 试剂的纯化及注意事项

2.3 DSCs的制备、测试方法

第三章 探讨基于钴电解质的DSCs中染料脱附的能量损失

3.1 结果和分析

3.2 小结

第四章 染料脱附后电池性能的恢复

4.1 鹅去氧胆酸（CDCA）表面处理的影响

4.2 硅烷表面处理的影响

4.3 小结

第五章 结 论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢