染料敏化太陽能電池的器件物理與性能研究.pdf

1、當(dāng)前地球人口數(shù)量在逐年攀升，化石能源將無法滿足人類日益增長(zhǎng)的能源需求。尋找并利用可再生能源是全球所關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。在所有的可再生能源中，太陽能是未來最有可能的能源供給方式，其最主要的利用途徑是太陽能發(fā)電。近年來，染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cells,DSC）因其較低的生產(chǎn)成本與較高的光電轉(zhuǎn)換效率引起了人們的廣泛關(guān)注，并被認(rèn)為是最有潛力的第三代太陽能電池。當(dāng)前，DSC的性能還無法與傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池

2、相比擬，因此挖掘其性能上的潛力是一項(xiàng)重要而有意義的工作。當(dāng)今，大量研究者對(duì)DSC性能的研究多立足于材料、器件結(jié)構(gòu)等，很少涉及DSC的內(nèi)部物理機(jī)制。探尋DSC器件的物理機(jī)制對(duì)提升DSC性能有著重要的促進(jìn)作用。本文從DSC器件物理研究出發(fā)，提出了精確、有效的DSC物理機(jī)制分析方法與內(nèi)部物理參數(shù)測(cè)試方法，并以此為基礎(chǔ)探尋提高器件性能的有效途徑。
　　首先，基于DSC的等效電路模型，研究了影響DSC光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。利用單結(jié)等效電路

3、模型，首次采用遺傳算法（Genetic Algorithm,GA）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization, PSO）和差分算法（Differential Evolution, DE）分別對(duì)DSC的等效電路參數(shù)進(jìn)行了分析和提取。研究發(fā)現(xiàn)，PSO算法具有較高的參數(shù)精度、抗噪能力和計(jì)算效率，是一種準(zhǔn)確、高效的DSC參數(shù)提取方法。該方法有效解決了DSC器件參數(shù)精確提取的技術(shù)難題。通過對(duì)電路參數(shù)的精確提取，發(fā)現(xiàn)DSC

4、的內(nèi)部串聯(lián)電阻Rs是影響器件性能的重要參數(shù)之一。因此，要實(shí)現(xiàn)DSC更高的光電轉(zhuǎn)換效率，必須研究降低器件Rs值的有效方法，這為DSC的研究工作指明了方向。
　　其次，研究了通過抑制復(fù)合反應(yīng)提高DSC性能的器件物理機(jī)制。復(fù)合反應(yīng)速率與DSC的能量轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)，通過抑制復(fù)合反應(yīng)能有效提升光陽極中的有效電子濃度，提高擴(kuò)散電流密度，增強(qiáng)光陽極中的電子輸運(yùn)能力，亦即降低電池中的Rs。為定量研究復(fù)合反應(yīng)與光陽極中有效電子濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需對(duì)

5、光陽極中自由電子壽命進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析。作為表征復(fù)合反應(yīng)最重要的參數(shù)，通常的測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理都比較復(fù)雜。本文結(jié)合瞬態(tài)光電測(cè)試方法和Savitzky-Golay濾波技術(shù)，提出采用可變級(jí)微分平滑方法分析計(jì)算DSC中的電子壽命。該研究首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)DSC電子壽命的精確、高速測(cè)量，為定量表征DSC的內(nèi)部復(fù)合機(jī)制提供了一種可靠的方法。
　　再次，提出了基于稀土元素?fù)诫s的新型氧化物半導(dǎo)體DSC光陽極材料，并對(duì)材料的電學(xué)、光學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬

6、。通過第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)經(jīng)稀土元素La摻雜的ZnO材料自由電子密度增加，呈現(xiàn)金屬化特性，有效增強(qiáng)了光陽極的電子輸運(yùn)和收集能力，降低了光陽極電阻。同時(shí)，La摻雜后ZnO帶隙變寬，吸收邊藍(lán)移，拓寬了光陽極的透射波段，減少了入射光損失，材料的光吸收率、光反射率也有所降低。這些都有利于提升光吸收層中的入射光子數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)器件更高的輸出電流和能量轉(zhuǎn)換效率。該研究不但揭示了一條提高DSC光電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑，還揭示了ZnO作為DSC光陽極材料

7、具有很大的應(yīng)用潛力。
　　最后，提出了利用光學(xué)運(yùn)籌的方法，通過調(diào)控光陽極界面來提高DSC的性能。采用光化學(xué)催化法在TiO2光陽極鍍上薄層銀納米顆粒，通過控制光催化鍍銀時(shí)間以調(diào)節(jié)納米顆粒的覆蓋量。銀納米顆粒的散射增大光在光陽極中的有效傳輸距離，提升了太陽光利用率，提高了器件的短路電流密度。降低TiO2納米顆粒的表面態(tài)密度，將減緩光生電子與電解液中氧化物的復(fù)合反應(yīng)，改善光生電子在介孔TiO2薄膜內(nèi)的傳輸，從而降低內(nèi)部串聯(lián)電阻Rs。研究