N-TiO2基Zn-卟啉染料敏化太阳能电池光电转化效率研究

本项目以TiO2 纳米管阵列薄膜形貌特征、染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs）光阳极各界面键合机制（制备TiO2 纳米管薄膜与P25、TiO2 光阳极薄膜与染料以及其与FTO 导电玻璃基底）对电池光电转化效率影响为主线展开研究，其研究主要内容包括TiO2 纳米管阵列薄膜制备与表征、TiO2 光阳极薄膜制备及电池组装、电池性能测试与评价，超额完成研究计划，取得一系列有特色创新性成果。三年来，共发表文章8 篇，其中3 篇 SCI 检索，7 篇EI 检索，1 篇中文核心，特别是2012 年在RSC Advances 发表文章（RSCAdv., 2012, 2, 12657-12660），采用简单可行的阳极氧化与热处理相结合方法制备 “FS-TNT arrays”(免支撑TiO2 纳米管阵列薄膜)，深入分析和讨论其制备机制，而后将其应用在透明光阳极基染料敏化太阳能电池研究上，实现7.62%的光电转化效率，为下一步研究工作开展提供了新思路和切入点。同时我们也多次参加国际国内学术会议进行学术交流，2011、2012 年先后两次受邀在国际能源学术会议上进行口头报告交流。

太阳能电池作为太阳能媒介，期望能缓解能源危机和环境污染问题而倍受关注。但TiO2较大的禁带宽度和染料敏化剂在电极薄膜（TiO2薄膜）表面吸附量难于提高且不稳定性，限制了其对太阳光的利用率和光电转化效率的提高。基于此，本研究提出以可见光响应光催化剂氮掺杂改性TiO2(N-TiO2)取代纯二氧化钛作为纳米晶膜，可使太阳光的利用红移至750-800nm，同时提高电池内的光生电子密度（ED）和光生电子寿命(τ)，降低光生电子扩散系数(D)；以优化后的Zn-卟啉作为染料敏化剂，增强染料敏化剂与薄膜的键合强度,提高染料敏化太阳能电池的使用寿命。由于Zn-卟啉的吸收峰广泛分布于350-700nm之间，在其与N-TiO2协同作用下可红移吸收光波至750-800nm，因此可大幅度提高对太阳光可见光利用率和光电转化效率，此研究成果为染料敏化太阳能电池的光电转化效率进一步提高提供理论基础和技术储备。

从电流产生的过程考虑，IPCE与光捕获效率(lightharvestingefficiency)LHE(l)、电子注入量子效率finj及注入电子在纳米晶膜与导电玻璃的后接触面(backcontact)上的收集效率fc三部分相关。见公式：

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，所以对于同一体系,IPCE(l)￡f(l)。两者相比，IPCE(l)能更好地表示电池对太阳光的利用程度,因为f(l)只考虑了被吸收光的光电转化,而IPCE(l)既考虑了被吸收光的光电转化又考虑了光的吸收程度。譬如，若某电极的光捕获效率为1%，而实验测得量子效率f(l)为90%，但其IPCE(l)只有0.9%。作为太阳能电池，必须考虑所有入射光的利用，所以用IPCE(l)表示其光电转化效率更合理；作为LB膜或自组装膜敏化平板电极的研究主要用来筛选染料而不太注重光捕获效率，所以常用f(l)表示光电转化效果。在染料敏化太阳能电池中，IPCE(l)与入射光波长之间的关系曲线为光电流工作谱。

在大气质量为AMl.5的条件下测试,

硅太阳能电池的理论光电转换效率的上限值为33%左右:

商品硅太阳能电池的光/电转换效率一般为12%～15%

高效硅太阳能电池的光/电转换效率一般为18%～20%

其数学表达式见公式：

IPCE=1240Isc/(lPin)其中Isc、l和Pin所使用的单位分别为μAcm-2、nm和Wm-2。