染料敏化太阳电池薄膜研究取得重要进展:形貌和结构可控的新型分级结构亚微米球

自从1991年M. Grätzel教授报道基于纳米TiO2多孔结构的染料敏化太阳电池(DSCs)获得7.1%的光电转换效率以来,DSCs以其制作工艺简单、低成本及环境友好等特点引起国内外广大科研工作者的兴趣,目前最高效率已达12.3%。纳米材料作为影响该类电池性能关键因素之一,相关研究一直备受重视。纳米多孔薄膜作为该种电池光阳极除应具有较高的比表面积、较大的孔径尺寸和孔隙率之外,还应能有效地散射可见光,并能形成电子快速传输的通道。目前颗粒尺寸为25纳米的纳米TiO2与400纳米大颗粒组合形成的多孔薄膜光阳极在一定程度上提高了电池对光的利用率,但受限于大颗粒的比表面积及吸附位点低不利于吸附染料分子,此外,单个纳米颗粒与颗粒之间的大量晶界同样地阻滞了光生电子在光阳极内的快速传输,不利于光生电子的收集。近几年来,由纳米颗粒组成的新型分级结构微米球有望能克服以上问题。

TiO2亚微米球形貌图及对应太阳电池电流-电压曲线

华北电力大学戴松元教授和中国科学院合肥物质科学研究院胡林华研究员带领的课题组,在国家重点基础研究发展规划(973计划)项目的资助下,针对现阶段分级结构微米球仍存在的微结构调控方面难题,特别是微米球内孔径调控和微米球中颗粒尺寸及吸附能力之间的矛盾问题,经过持续研究,取得了重要进展。他们在微米球制作过程中不需要借助模板剂的条件下,通过控制乙醇、去离子水和氨水的摩尔比,可有效控制微米球的直径和形貌,及微米球内孔径分布和纳米颗粒的结晶性。最为突出的是,他们有效的克服了微米球内孔径尺寸和微米球比表面积这两个矛盾着的参数,将基于微米球的多孔薄膜比表面积可控在110 m2/g以上,微米球内平均孔径直径由10纳米提高到16纳米以上,从而可实现整个微米球内染料分子全吸附和电解质快速扩散,这一结论也得到了透射电镜元素分布谱图的确定。基于该种结构的亚微米球DSCs光电光电转换效率达到了11.67%。相关研究结果发表在Advanced Functional Materials(adfm.201502224)上。

该种新型分级结构亚微米球不仅在高效染料敏化太阳电池上取得了很好的应用,还在其他类的新型太阳电池如量子点和钙钛矿太阳电池中都能有很好的表现。

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