《染料敏化太阳能电池光电极的微结构设计及器件柔性化》

该项目成果属于凝聚态物理和无机非金属材料领域应用基础研究成果。

伴随着人类社会文明的发展和进步,化石燃料的耗尽速度不断提升。按照世界能源组织的预测,石油、天然气和煤分别能够维持40、60和200年左右,另外化石燃料带来的环境问题对人类的影响也越来越严重。可再生能源特别是太阳能的开发利用已成为世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能的光电转换是非常活跃的一个研究前沿领域,染料敏化太阳能电池工作原理独特,生产成本低廉,具有广阔的应用前景,引起了世界各国科研工作者的关注,成为一个重要的研究热点。柔性化是染料敏化太阳能电池实用化研究的重要方向。染料敏化太阳能电池多采用导电玻璃为基底,导电玻璃基底易碎、不能变形,在使用过程造成很多困难。采用柔性衬底取代导电玻璃基底制备的染料敏化太阳能电池具有可弯曲、重量轻、不易破碎等优势,增加了电池的实用性。该项目主要开展了染料敏化太阳能电池光阳极的微结构设计、柔性化及对应廉价柔性对电极的开发等方面的研究工作。主要内容包括:

1.阐明了SnO2和ZnO/SnO2的电沉积过程,研究发现SnO2、ZnO/SnO2电化学沉积过程中,均存在金属锡的析出,金属锡的析出对纳晶薄膜的微观形貌具有一定的影响。通过工艺条件优化成功调控纳晶薄膜的微观结构形貌。

2.开发了一步电泳沉积制备无裂纹SnO2/MgO复合薄膜的技术,探讨了薄膜裂纹消失的原因,研究了高温烧结、低温高压水热、紫外光照及机械挤压等后处理工艺对纳晶薄膜微结构及光电性能的影响,发现将紫外光照及机械挤压处理工艺结合,可以制备与高温烧结具有相近性能的光阳极,给出了一种切实可行的高效、柔性光阳极制备工艺。

3.提出使用WS2作为染料敏化电池对电极还原碘离子的催化剂,并将锂离子电池电极的制备工艺引入到该电极的制备过程中,制备一种新型廉价、柔性染料敏化太阳能对电极,并成功组装全柔性染料敏化太阳能电池。

4.提出了一种利用电化学交流阻抗技术考察光电极电子传输性能的方法。研究了光电极在不同偏压下的阻抗行为,发现在低偏压下,光电极的阻抗图谱Bode图由FTO/电解液界面的阻抗、纳晶薄膜/电解液界面的电容及薄膜中电子传输阻抗组成。提出了一个简化的等效电路模型来模拟交流阻抗数据,实现对染料敏化太阳能电池光电极电子传输性能的定性评价。

该项目先后承担国家自然科学基金青年基金项目,河南省科技厅基础与前沿项目及河南省青年骨干教师项目等,该项目部分成果通过河南省科技厅组织的成果鉴定(鉴定结果:国内领先水平,证书编号:豫科鉴委字[2012]第169号)。该项目先后发表SCI论文10篇,其中8篇代表性论文被SCI论文它引133次,平均引用约17次。关键技术申请国家发明专利2项,获批国家发明专利1项,培养硕士研究生6名。

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