电荷分离型染料在染料敏化太阳能电池中的应用研究

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光伏发电技术是未来最重要的能源技术之一,染料敏化太阳能电池(DSSC)是新一代光伏电池的重要成员,低消耗、低成本和高理论效率的优势使其具有巨大的应用前景,开发稳定、高效的DSSC对解决能源危机和环境污染问题具有重大意义。DSSC光阳极TiO2多孔层厚度对其性能有重要影响,本文制备了不同厚度的光阳极TiO2薄膜,组装电池后进行光电性能测试。对于液态电池,TiO2膜厚为13.2μm时器件性能最好,对于固态电池,TiO2膜厚为1.2μm时器件性能最好,这一规律对于不同类型的染料均成立。TiO2/染料/电解质界面处的电荷复合过程是降低电池输出能力的主要因素之一,研究表明具有长寿命电荷分离态的染料分子可抑制这一过程,从而提高器件的光电性能。为此,在确定最佳TiO2膜厚之后,本文选择具有纳秒级电荷分离态寿命的电荷分离型(CS型)染料MTPAco-Pyc、MTPABT-Pyc、YDco-Pyc、YDBT-Pyc作为研究对象,并以电荷转移型(CT型)染料MTPAcc和钌系染料N719作为对比,分析讨论了CS型染料对液态和固态器件性能的影响。结果表明,在液态电池中,CS型染料YDBT-Pyc由于具有较好的吸光性以及对电荷复合过程具有较强的抑制作用获得了最高6.28%的光电转换效率,与CT型染料MTPAcc(5.10%)相比提高了23%。在固态电池中,CS型染料MTPABT-Pyc因其较好的捕光能力,较强的染料再生能力以及电荷分离态抑制电荷复合获得了最高3.06%的光电转换效率,与CT型染料MTPAcc相比(2.64%)提高了16%,这些结果显示出了电荷分离型染料对提升器件性能方面的优越性。钌系染料N719由于较宽的光谱响应范围,在TiO2多孔层较厚的液态电池中获得了7.26%的光电转换效率,高于纯有机类染料。在固态电池中三苯胺类染料(MTPAcc、MTPAco-Pyc、MTPABT-Pyc)由于具有较强的空穴传输能力,HOMO能级与spiro-OMe TAD匹配性更好,器件效率高于吲哚啉类染料(YDco-Pyc、YDBT-Pyc),并且三苯胺类染料由于具有较高的摩尔消光系数获得了高于N719的光电转换效率。
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