[01130834]光电新材料的设计及太阳能电池性能增强机理研究

新型敏化太阳能电池可高效利用光能进行电能的转化、储存及释放,对于环境的可持续发展有着重要意义,是新能源、新材料的典型代表,必将成为未来光伏市场的主体。阳极半导体材料以及高活性光敏剂是这类电池的重要组成部分,具有极高的研究价值。该项目通过实验参数控制、建模分析等手段,对敏化太阳能电池体系的基本原理与控制因素进行了深入而系统的研究,发展了复合半导体阳极、低毒性量子点光敏剂等多种光电新材料,组装成的全固态太阳能电池光伏性能得到显著提升。 （1）我们首次提出：定向排列并具有较长长度的TiO2纳米棒有利于光电流的产生。我们保证TiO2纳米棒结晶度不变,体系的光电活性随纳米棒长度变化明显,揭示了纳米棒长度对光电流响应的直接影响。这个结论对于今后如何获得具有高光电活性的TiO2等半导体材料有重要的指导意义。 （2）我们首次将原位水热法制备的TiO2纳米棒阵列与钙钛矿型CsSnI2.95F0.05固态电解质相结合,组装了三明治型全固态染料敏化太阳能电池。体系在模拟太阳光照下的最高光电转化效率达到2.81%,接近液态电解质体系的效率值（3.0%）。另外,电池对光照的响应速度以及循环稳定性得到明显改善,是一种清洁、高效的便携式新型太阳能电池器件。 （3）我们首次对CsSnI2.95F0.05系列全固态染料敏化太阳能电池的工作原理及影响因素进行理论建模与分析。计算结果表明,该类电池具有对载流子浓度的非线性依赖特性,最关键的影响因素是染料分子与全固态空穴传输层界面上的载流子转移效率。基于以上结论,我们着重研究了全固态电解质前驱液在TiO2光阳极上浸渍时间对于染料再生/空穴注入率的影响。优化后电池的平均效率从2.81%提升到7.7%,其中最优电池效率可达到9.8%。 （4）我们首次在TiO2纳米棒阵列表面进行了铜量子点敏化处理,体系在模拟太阳光照下的光电流响应比未经敏化的提高了5倍以上。铜量子点毒性低、价格便宜,在TiO2表面高度分散,尺寸约为5～10 nm,通过量子尺寸效应与TiO2基底有匹配的能带位置,有利于光生电荷的定向传输。 （5）我们通过多种手段对不同形貌的纳米TiO2进行改性,进一步提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。将TiO2纳米颗粒均匀分散在石墨烯薄膜上得到复合半导体TiO2-G,有效阻止了TiO2纳米粒子的团聚,增大比表面积,提高染料的吸附和入射光的吸收,石墨烯优良的导电性能可加速电子的传输。我们还在TiO2纳米棒表面均匀分散了SrTiO3纳米粒子,形成TiO2-SrTiO3异质结结构,电池的光电转化效率提高了近10倍,适用于大规模工业TiO2的生产改性。 （6）我们首次采用循环浸渍法（SILAR）实现Cu2ZnSnS4 （CZTS）薄膜的可控制备。严格控制薄膜退火的温度和条件以优化CZTS的元素配比,实现1.5 eV的能带带隙,得到最优的可见光吸收材料,同时减少CZTS晶格缺陷以及表面态,对于光脉冲具有良好的响应。