N-TiO2基Zn-卟啉染料敏化太陽能電池光電轉化效率研究結題摘要

本項目以TiO2 納米管陣列薄膜形貌特征、染料敏化太陽能電池（Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs）光陽極各界面鍵合機制（制備TiO2 納米管薄膜與P25、TiO2 光陽極薄膜與染料以及其與FTO 導電玻璃基底）對電池光電轉化效率影響為主線展開研究，其研究主要內容包括TiO2 納米管陣列薄膜制備與表征、TiO2 光陽極薄膜制備及電池組裝、電池性能測試與評價，超額完成研究計劃，取得一系列有特色創(chuàng)新性成果。三年來，共發(fā)表文章8 篇，其中3 篇 SCI 檢索，7 篇EI 檢索，1 篇中文核心，特別是2012 年在RSC Advances 發(fā)表文章（RSCAdv., 2012, 2, 12657-12660），采用簡單可行的陽極氧化與熱處理相結合方法制備 “FS-TNT arrays”(免支撐TiO2 納米管陣列薄膜)，深入分析和討論其制備機制，而后將其應用在透明光陽極基染料敏化太陽能電池研究上，實現(xiàn)7.62%的光電轉化效率，為下一步研究工作開展提供了新思路和切入點。同時我們也多次參加國際國內學術會議進行學術交流，2011、2012 年先后兩次受邀在國際能源學術會議上進行口頭報告交流。

太陽能電池作為太陽能媒介，期望能緩解能源危機和環(huán)境污染問題而倍受關注。但TiO2較大的禁帶寬度和染料敏化劑在電極薄膜（TiO2薄膜）表面吸附量難于提高且不穩(wěn)定性，限制了其對太陽光的利用率和光電轉化效率的提高?；诖耍狙芯刻岢鲆钥梢姽忭憫獯呋瘎┑獡诫s改性TiO2(N-TiO2)取代純二氧化鈦作為納米晶膜，可使太陽光的利用紅移至750-800nm，同時提高電池內的光生電子密度（ED）和光生電子壽命(τ)，降低光生電子擴散系數(shù)(D)；以優(yōu)化后的Zn-卟啉作為染料敏化劑，增強染料敏化劑與薄膜的鍵合強度,提高染料敏化太陽能電池的使用壽命。由于Zn-卟啉的吸收峰廣泛分布于350-700nm之間，在其與N-TiO2協(xié)同作用下可紅移吸收光波至750-800nm，因此可大幅度提高對太陽光可見光利用率和光電轉化效率，此研究成果為染料敏化太陽能電池的光電轉化效率進一步提高提供理論基礎和技術儲備。

從電流產生的過程考慮，IPCE與光捕獲效率(lightharvestingefficiency)LHE(l)、電子注入量子效率finj及注入電子在納米晶膜與導電玻璃的后接觸面(backcontact)上的收集效率fc三部分相關。見公式：

IPCE(l)=LHE(l)′finj′fc=LHE(l)′f(l)

其中finj′fc可以看作量子效率f(l)。由于0￡LHE(l)￡1，所以對于同一體系,IPCE(l)￡f(l)。兩者相比，IPCE(l)能更好地表示電池對太陽光的利用程度,因為f(l)只考慮了被吸收光的光電轉化,而IPCE(l)既考慮了被吸收光的光電轉化又考慮了光的吸收程度。譬如，若某電極的光捕獲效率為1%，而實驗測得量子效率f(l)為90%，但其IPCE(l)只有0.9%。作為太陽能電池，必須考慮所有入射光的利用，所以用IPCE(l)表示其光電轉化效率更合理；作為LB膜或自組裝膜敏化平板電極的研究主要用來篩選染料而不太注重光捕獲效率，所以常用f(l)表示光電轉化效果。在染料敏化太陽能電池中，IPCE(l)與入射光波長之間的關系曲線為光電流工作譜。

在大氣質量為AMl.5的條件下測試,

硅太陽能電池的理論光電轉換效率的上限值為33%左右:

商品硅太陽能電池的光/電轉換效率一般為12%～15%

高效硅太陽能電池的光/電轉換效率一般為18%～20%

其數(shù)學表達式見公式：

IPCE=1240Isc/(lPin)其中Isc、l和Pin所使用的單位分別為μAcm-2、nm和Wm-2。