多酸基染料敏化太阳能电池的构筑及其实现全天候能量收集的研究

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当今世界,能源是我国国民经济发展的重要物质基础。随着人们生活质量的提高,人类对能源的需求日益增长,这种现状导致了地球上的不可再生能源逐渐供不应求。因此可再生能源的开发和利用是能源领域的热点研究课题之一。太阳能作为一种丰富的可再生能源,具有很大的开发和利用价值。太阳能电池是一种能够将太阳能转变为电能的光学器件,它的研究与应用是有效利用太阳能的重要方式之一。染料敏化太阳能电池(英文简写为DSSCs)作为第三代新型太阳能光伏器件,由于其制作工艺简单、环保、高效等优势,受到了世界各国学者的广泛关注。但现今,在DSSCs的制作与研究过程中发现,DSSCs仍然存在一些缺陷,影响着电池效率的进一步提升。一方面,染料受到光照后,产生的光生电子在光阳极与电解质界面传递的过程中,会发生电子回流,同时伴随着与电解质中的氧化还原电对发生复合反应,限制了DSSCs的光电转换效率(英文简写为PCE)的进一步提升;另一方面,DSSCs的发电机制要求必须将其置于光照比较充足的条件下,才能产生足够的电能,而在光强相对较弱的阴雨天或夜晚则难以发电,这就限制了DSSCs的应用范围。因此抑制电池内的复合反应,进一步提高DSSCs的PCE,构造一种全天候DSSCs是解决上述问题的关键。众所周知,多金属氧酸盐,简称多酸(英文简写为POMs)是一类由钨、钼、钒等金属原子构成的环境友好型的分子金属-氧簇。而作为一种具有优异稳定性及能级可调的多功能材料,多酸可作为电子受体,能够使电子传递速率加快并抑制电子复合,因此可用于DSSCs的光阳极中,以进一步实现提高DSSCs的PCE的目的。与此同时,当光强减弱,尽管全天候太阳能电池能够继续发电,但由于入射光强降低,电池中的电子密度也会减小,这就增加了电子复合反应发生的几率,因此我们可以利用多酸可加速电子传输速率的这一特性,在构筑全天候DSSCs时将其掺入光阳极,这就使电池效率的提高成为可能。本文主要的研究内容如下:(1)我们首次通过研磨法将长效荧光粉(英文简写为LPP)和多酸H3[α-PW12O40]·21H2O(PW12)掺入DSSCs的光阳极,同时与传统的旋涂法相比,我们仅向光阳极掺入5%的LPP,进而构筑一种新型全天候DSSCs。作为一种光学储能材料,LPP在光照条件下可以将光阳极和N719(染料)未能吸收的光能储存起来,当光强减弱或处于黑暗条件时,释放荧光,此时N719可以继续吸收光能产生光电流。然而由于LPP产生的荧光与太阳光相比太弱,因此在光阳极与电解质界面的发生电子复合反应的几率会大大提高,因此引入PW12来降低电子回流。实验事实表明,将LPP(5%)、PW12(5%)和P25(TiO2)复合,在光照条件下,由于PW12可降低电子复合反应,使DSSCs的PCE达到6.9%(纯P25制备的光阳极组装的DSSCs的效率为5.8%),黑暗条件下其最大输出功率(Pmax)也达到了79.8μW·cm-2。该策略为构筑一种易制备、高效的新型全天候DSSCs提供了一种新方法。(2)夹心型多酸具有良好的电子传输性能以及催化性能,因此可作为提高DSSCs效率的首选材料。夹心型多酸K15{K3[(A-α-PW9O34)2Fe2(C2O42]}·29H2O具有分子内电荷传输机制,与此同时,我们通过固体紫外漫反射及循环伏安测试确定了该夹心型多酸的LUMO能级(-0.06 V)和带隙(2.8 e V),由于其LUMO比P25的导带(英文简写为CB)低,因此P25上的光生电子可以传递到该多酸,进而传递到外电路,与此同时可以抑制电子回流,提高DSSCs的PCE。我们利用溶胶凝胶法将夹心型多酸(5%)掺入DSSCs的光阳极中,并通过电化学测试,测得该光阳极组装的DSSCs的效率达到了6.33%,比纯P25的光阳极制成的DSSCs效率(5.52%)提高了20%,进一步证明该多酸具有加速电子传输速率,降低电子复合反应,进而提高DSSCs的PCE的作用。该工作也为功能型夹心型多酸在光电转化方面的应用提出了新思路,同时拓宽了DSSCs的发展空间。
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