介觀太陽(yáng)能電池中吸光材料的設(shè)計(jì)、合成及性能優(yōu)化.pdf

1、介觀太陽(yáng)能電池（MSC）按照吸光材料的不同分為染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）和介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（MPSC）等。MSC因其具有成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)MSC一般使用貴金屬作為對(duì)電極，這在一定程度上限制了這種電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。為此，使用低廉的碳電極取代貴金屬電極的全絲網(wǎng)印刷MSC具有巨大的應(yīng)用前景。吸光材料作為MSC的重要組成部分，對(duì)器件性能起著決定性的作用。因此，本文主要針對(duì)基于碳電極的全絲網(wǎng)印刷

2、MSC吸光材料開(kāi)展研究工作。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以卟啉為骨架結(jié)構(gòu)，保持YD2-o-C8的上下兩個(gè)內(nèi)消旋位置的支鏈結(jié)構(gòu)及固定基不變，在與固定基相反的內(nèi)消旋位置引入含不同烷基鏈的三苯胺作為供體，設(shè)計(jì)合成了卟啉染料WH-C1和WH-C2，作為對(duì)比合成了參比染料YD20，之后將這些染料應(yīng)用于以鉑為對(duì)電極的雙基板DSSC。系統(tǒng)地研究了不同烷基鏈（如甲基、甲氧基和己氧基）對(duì)染料光學(xué)物理性能、電化學(xué)性能和器件性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：卟啉染

3、料的摩爾消光系數(shù)隨著烷基鏈的增長(zhǎng)而增加；基于卟啉染料WH-C1、YD20和WH-C2電池的入射光電轉(zhuǎn)換效率（IPCE）、短路電流（Jsc）和開(kāi)路電壓（Voc）的大小順序?yàn)閃H-C1﹤YD20﹤WH-C2?？傊谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光條件下，基于WH-C2的電池獲得了7.77％的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），Jsc為13.10 mAcm-2，Voc為831.10 mV，填充因子（fill factor，F(xiàn)F）為0.70。⑵以卟啉為骨架結(jié)構(gòu)，保持YD2

4、-o-C8的上下兩個(gè)內(nèi)消旋位置的支鏈結(jié)構(gòu)及固定基不變，在與固定基相反的內(nèi)消旋位置引入不同電負(fù)性基團(tuán)設(shè)計(jì)合成了卟啉染料WH-C3、WH-C4和WH-C5，系統(tǒng)地研究了不同電負(fù)性基團(tuán)對(duì)卟啉染料的光學(xué)物理性能、電化學(xué)性能和相應(yīng)電池光伏性能的影響。電化學(xué)測(cè)試表明染料的HOMO和LUMO能級(jí)可以通過(guò)有機(jī)基團(tuán)的電負(fù)性來(lái)調(diào)節(jié)。電流-電壓測(cè)試表明WH-C3、WH-C4和WH-C5基電池的Jsc和 Voc隨著有機(jī)結(jié)構(gòu)單元給電子能力的提高而增加，順序?yàn)閃H

5、-C3﹤WH-C4﹤WH-C5。其中，基于WH-C5的電池得到了5%的最高 PCE，Jsc為11.43mAcm-2，Voc為633.84mV，F(xiàn)F為0.69。⑶以卟啉為骨架結(jié)構(gòu)，保持YD2-o-C8的上下兩個(gè)內(nèi)消旋位置的支鏈結(jié)構(gòu)及固定基不變，設(shè)計(jì)合成了四個(gè)含不同供體和固定基導(dǎo)向的卟啉染料WH-C1、WH-C4、WH-C6和WH-C7。系統(tǒng)地研究了不同固定基導(dǎo)向?qū)策玖系墓鈱W(xué)物理性能、電化學(xué)性能和相應(yīng)電池光伏性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固定基

6、在間位的染料 WH-C6和WH-C7與固定基在對(duì)位的染料WH-C4和WH-C1相比光學(xué)和電化學(xué)性能有很大的差異。與WH-C4和WH-C1相比，WH-C6和WH-C7顯示了更低的Jsc和Voc。紫外吸收光譜和染料吸附測(cè)試結(jié)果表明，將羧酸固定基引入到苯環(huán)的間位：降低了染料分子的共軛程度，使得染料分子的吸光能力變差，吸收藍(lán)移，降低了染料的光捕獲效率；增加了染料吸附時(shí)的空間位阻，減少了染料的吸附量。光捕獲效率的降低和染料吸附量的減少共同導(dǎo)致了器

7、件短路電流的降低。電化學(xué)阻抗譜結(jié)果表明，將羧酸固定基引入到苯環(huán)的間位加速了電子復(fù)合反應(yīng)，進(jìn)而降低了器件的開(kāi)路電壓。⑷使用低成本無(wú)毒同時(shí)具有路易斯酸堿性的分子二氰二胺（d icya nd ia mide, DCDA）原位鈍化MAPb I3中殘留的Pb2+、I-和MA+。結(jié)果發(fā)現(xiàn)用DCDA處理的器件的Voc和 FF得到了大幅度的提高。電化學(xué)阻抗譜和強(qiáng)度調(diào)制光電壓譜表明，使用DCDA鈍化的器件擁有更長(zhǎng)的電子壽命，同時(shí)將電池的平均效率從9.75

8、%提高到11.44%。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光條件下，基于 DCDA處理的器件實(shí)現(xiàn)了12.50%的最高PCE。⑸盡管基于貴金屬電極的MPSC通過(guò)溶劑設(shè)計(jì)方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很高的PCE，但是有關(guān)系統(tǒng)地研究溶劑對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）性能影響的文章還未見(jiàn)報(bào)道。通過(guò)使用溶劑設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化本征鈣鈦礦（MAPbI3）材料的制備，進(jìn)而優(yōu)化了無(wú)空穴傳輸材料全絲網(wǎng)印刷 MPSC的光伏性能。首先，接觸角測(cè)試表明基于不同溶劑的鈣鈦礦前驅(qū)體溶液對(duì)器件薄膜的潤(rùn)濕性有很

9、大的影響，這是由溶劑的極性和粘度差異造成的。其次，XRD和FTIR結(jié)果證實(shí)不同中間相的存在，不同中間相的穩(wěn)定性主要受到不同溶劑分子和 PbI2之間配位能力的影響，其中溶劑的配位能力主要由溶劑中S=O和C=O的電子云密度和空間位阻決定。SEM結(jié)果表明前驅(qū)體溶液對(duì)器件薄膜的潤(rùn)濕性和中間相的穩(wěn)定性共同影響鈣鈦礦在介孔薄膜中的結(jié)晶和填充。由于混合溶劑DMF/DMSO(0.93:0.07, v/v)在極性、粘度、潤(rùn)濕性和配位能力這幾個(gè)因素的折中，

10、基于優(yōu)化的DMF/DMSO(0.93:0.07)器件取得了13.89%的PCE。⑹設(shè)計(jì)合成了一系列不同比例的混合陰離子鈣鈦礦MAPbI(3?x)(BF4)x吸光材料并應(yīng)用于無(wú)空穴導(dǎo)體全絲網(wǎng)印刷MPSC。分別使用UV、SEM、Hall效應(yīng)和 XRD測(cè)試方法表征了所合成新型鈣鈦礦材料的吸光能力、填充、電學(xué)性能和晶型。BF4-在純碘鈣鈦礦MAPbI3中的使用顯著地改善了鈣鈦礦的光學(xué)和電學(xué)性能，例如光捕獲能力、載流子濃度和電導(dǎo)率，并將PCE從1