N-TiO2基Zn-卟啉染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率研究項目摘要

太陽能電池作為太陽能媒介，期望能緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染問題而倍受關(guān)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(zhuǎn)化效率的提高?；诖?，本研究提出以可見光響應(yīng)光催化劑氮摻雜改性TiO2(N-TiO2)取代純二氧化鈦?zhàn)鳛榧{米晶膜，可使太陽光的利用紅移至750-800nm，同時提高電池內(nèi)的光生電子密度（ED）和光生電子壽命(τ)，降低光生電子擴(kuò)散系數(shù)(D)；以優(yōu)化后的Zn-卟啉作為染料敏化劑，增強(qiáng)染料敏化劑與薄膜的鍵合強(qiáng)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(zhuǎn)化效率，此研究成果為染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備。

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(jī)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(dǎo)電玻璃基底）對電池光電轉(zhuǎn)化效率影響為主線展開研究，其研究主要內(nèi)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(jié)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(jī)制，而后將其應(yīng)用在透明光陽極基染料敏化太陽能電池研究上，實(shí)現(xiàn)7.62%的光電轉(zhuǎn)化效率，為下一步研究工作開展提供了新思路和切入點(diǎn)。同時我們也多次參加國際國內(nèi)學(xué)術(shù)會議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，2011、2012 年先后兩次受邀在國際能源學(xué)術(shù)會議上進(jìn)行口頭報告交流。

從電流產(chǎn)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(dǎo)電玻璃的后接觸面(backcontact)上的收集效率fc三部分相關(guān)。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?yàn)閒(l)只考慮了被吸收光的光電轉(zhuǎn)化,而IPCE(l)既考慮了被吸收光的光電轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)系曲線為光電流工作譜。

在大氣質(zhì)量為AMl.5的條件下測試,

硅太陽能電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率的上限值為33%左右:

商品硅太陽能電池的光/電轉(zhuǎn)換效率一般為12%～15%

高效硅太陽能電池的光/電轉(zhuǎn)換效率一般為18%～20%

其數(shù)學(xué)表達(dá)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。