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近些年来,各国对太阳能等清洁能源的需求不断攀升,促使具有广泛产业化应用前景的低价、高效的染料敏化太阳电池(DSSC)成为学术界和工业界的研究热点。高光电转换效率和长期稳定性是任何光伏技术应用的先决条件并决定其应用范围。传统液态电解质DSSC的效率已经突破13%,但使用有机溶剂的液态电解质一直给DSSC密封技术和长期稳定性带来困扰。针对上述问题,本文从准固态电解质可以改善DSSC的长期稳定性出发,合成了一系列结构具有明显变化规律的酰胺类有机小分子,这些化合物的结构特点在于在分子链的两酰胺键之间含有不同的数量的亚甲基基团(-CH2-),将它们作为胶凝剂进而制备成一元及多元超分子凝胶电解质并引入至DSSC中,从胶凝剂的合成、凝胶电解质的制备、胶凝剂的自组装方式及其对凝胶微观结构、DSSC内部微观电子动力学过程以及DSSC光伏性能和稳定性的影响机制等几个方面开展系统化的研究。 利用差示扫描量热仪(DSC),通过获得凝胶电解质的相转变温度(Tgel),从而考察凝胶电解质的本征热稳定性;利用偏光显微镜(POM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)研究小分子胶凝剂的自组装方式及凝胶的微观网络结构;结合循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、调制光电流/光电压谱(IMVS/IMPS)、瞬态吸收光谱(TAAP)等测试方法,获得不同凝胶电解质的微观结构对DSSC内部电子传输、复合等电子动力学过程的影响。 研究结果表明,所制备的凝胶电解质均表现出良好的本征稳定性,在获得较高的光电转换效率的同时,可有效提高DSSC的长期稳定性,这将有利于DSSC的大规模商业化生产。同时,本论文深入研究了胶凝剂分子结构、自组装方式及凝胶电解质微观形貌的关系,首次阐明了分子结构对所制备的准固态DSSC内部界面电子复合和传输过程以及器件的光伏性能和长期稳定性的影响机制。酰胺类小分子胶凝剂分子结构中,两酰胺键间亚甲基数目(n)为奇数时,胶凝剂分子通过平行自组装方式,使凝胶电解质呈现网状三维结构;而当n为偶数时,胶凝剂分子通过反平行自组装方式,使得凝胶电解质呈现带状三维结构。相对于带状微观形貌的凝胶电解质,具有网状微观形貌的凝胶电解质更有利于电荷的传输,且对应准固态电池的电子复合寿命长,电子收集效率和注入效率高,具有较高的光电转换效率。在此基础上,选取n为5的酰胺类小分子胶凝剂,并优化电池材料和结构,最终获得了目前基于有机小分子胶凝剂的准固态DSSC器件的最高光电转换效率(9.61%)。此外,在一元胶凝剂的基础上,引入另一种有机小分子化合物作为共胶凝剂,制备成二元超分子凝胶电解质。与一元凝胶电解质相比,二元超分子凝胶电解质改善了凝胶网络结构,有效提高了准固态电池的光伏性能,最终获得了高效稳定的准固态DSSC器件。此项研究提出了从分子水平设计凝胶网络结构以提高电池光伏性能和稳定性的新思路,该论文的研究成果对促进DSSC的实用化有重要意义。