宽光谱高效薄膜太阳电池的基础研究.docx

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宽光谱高效薄膜太阳电池的基础研究

项目名称：

宽光谱高效薄膜太阳电池的基础研究

首席科学家：

戴松元中国科学院合肥物质科学研究院

起止年限：

2011.1至2015.8

依托部门：

中国科学院

二、预期目标

项目总体目标

面向国家对洁净能源的重大战略需求，选择具有材料丰富、环保和良好研究基础的高性价比薄膜太阳电池为突破点，通过深入研究，将在以下方面获得突破性进展，达到国际领先或先进水平，使光伏发电在国家能源布局中占有重要地位。

前沿的基础研究成果

本项目将发展高稳定、宽光谱吸收的高效电池用关键材料，全面揭示电荷分离、输运和复合机理，建立高效宽光谱薄膜电池光管理的理论模型，宽谱高效薄膜电池设计模型，深刻认识实用化电池中效率与稳定性的内在联系，揭示工作环境对组件性能的影响机制，为真正实现薄膜太阳电池的大规模光伏发电应用，提供科学依据和技术基础。

高水平技术研究成果

探索研究拥有自主知识产权的高效染料敏化太阳电池制备技术，效率高于15%；研发面积大于300cm2，效率达10%的染料敏化太阳电池组件及产业化制备关键技术，获得使用寿命20年以上制备技术路线。

研发基于全光谱利用的新型硅基薄膜吸收材料体系和宽光谱新型透明导电薄膜，探索研究具有自主知识产权的全光谱高效硅基薄膜叠层太阳电池制备技术，效率高于15.5%，提供可实现产业化的技术方案。

培养和造就一批年富力强薄膜太阳电池领域的学术带头人和高素质研究团队，提高我国在薄膜太阳电池领域的科学研究水平和技术创新能力，建立有国际影响力的研究平台，满足节能减排重大国策及可再生能源普及应用的重大需求。

五年预期目标

（1）利用自主知识产权的纳米结构和有机光电功能材料实现转换效率达15%的染料敏化太阳电池，实现基于凝胶电解质电池转换效率达13%的染料敏化太阳电池和基于有机空穴传输材料转换效率达8%的全固态染料敏化太阳电池。

（2）建立染料敏化太阳电池微观尺度界面电荷转移、复合及传输的完整动力学模型，为提升器件效率提供理论指导。

（3）完成电池组件制备中关键设备的研制，获得使用寿命20年以上，工业制作成本低于0.5美元/峰瓦的染料敏化太阳电池组件技术路线（面积大于300cm2，效率达10%）及产业化制备关键技术。

（4）建立高效全光谱硅基薄膜太阳电池基于全面“光管理工程”的理论模型及其实现途径与方案，获得适于宽光谱高效硅基薄膜电池的透明导电薄膜。

（5）基于能带工程和高效全光谱硅基薄膜太阳电池的模拟计算，构建适于宽谱吸收硅基薄膜光伏材料体系及其制备技术。

（6）利用具有自主知识产权的新型光伏材料，获得宽光谱高效硅基薄膜电池，转换效率15.5%以上，提供可实现产业化的技术方案。

在国内外杂志发表SCI和EI研究论文100篇以上，申请专利20项以上，培养博士生和硕士生80名，培养和造就5名优秀学术带头人，形成若干个在相关领域中有研究特色和国际影响的研究团队。

三、研究方案

面对国家对洁净能源的重大战略需求，紧密围绕高性价比薄膜太阳电池在基础研究和规模化应用中所面临的若干关键问题，从材料学、物理、化学、纳米科学以及电子学等多学科交叉的角度，充分利用原有的工作基础，在染料敏化太阳电池和硅基薄膜太阳电池的研究上取得突破。

电池效率与稳定性是项目成果的集中体现。

为了最终实现薄膜太阳电池的实用化，本项研究必须做好以下四方面的工作：

一是宽谱吸收染料敏化太阳电池和硅基薄膜电池用关键新型材料的研究，二是先进光管理设计、电池机理和界面动力学的研究，三是高效电池和组件结构的设计、优化计算与低成本的实现，四是组件关键材料与环境稳定性的关联机制。

本项目的总体研究思路如下图所示：

1、染料敏化太阳电池研究

1）宽谱吸收染料敏化太阳电池关键材料的研究

基于量子力学原理的电子结构方法，利用密度泛函理论方法、含时密度泛函理论（TD-DFT）方法，包括最近发展起来的解析能量梯度算法，把DFT的良好性能推及至激发态的计算；考虑电解质（I3-／I-）溶液的环境效应，研究染料基态及激发态所具有的电子结构性质，通过定量分析分子基态和激发态的分子轨道成分、电子云密度分布、原子电荷布居和总电荷等性质，从微观上了解吸收和发射光谱性质以及吸收和发射过程中的跃迁机制，探索染料分子结构对其光谱的微观机制的影响规律，为实验上的材料设计提供理论指导，缩短染料开发周期。

研究基于多吡啶钌基配合物的宽谱吸收染料分子，通过对联吡啶配体进行功能化修饰，可以获得对太阳光更高吸收效率的敏化剂；通过合理分子结构的调控可以获得高摩尔消光系数的全有机染料，在前期研究基础上，研究更强电子给体，比如以吡咯为核心的电子给体，结合前期开发的高摩尔消光系数、良好自组装行为的π单元和氰乙酸受体，实现吸收光谱显著红移、增大光吸收、提高电池效率。

加强探索研究高效量子点敏化剂的开发：

通过湿化学合成制备系列II-VI族和IV-VI族量子点材料，如CdS、CdSe、PbS、PbSe等，实现对材料化学组分、形状和尺寸的控制，采用共价键分子连接、化学浴沉积以及连续离子层吸附反应等方法实现量子点在纳晶电极上的高效沉积，进一步提高量子点材料在纳晶薄膜电极表面的覆盖率，通过尺寸控制实现量子点与纳晶电极之间的最佳能级匹配，引入共敏化染料调节电荷的注入，通过光电调制技术研究电荷的传输机理，发展新的可代替碘对的空穴传输材料等，开展进一步提高量子转换效率的研究。

用一维氧化钛材料或其阵列结构、反蛋白石等三维有序网络结构来改善电子传导的路径，提高薄膜光散射性，提高电池的光电转换效率：

用水热法制备氧化钛纳米线，此纳米线长从几个微米到几十个微米，甚至更长，外径小，热稳定性高。

用不同含量的氧化钛纳米线和纳米颗粒混合制备浆料，制备成工作电极，氧化钛纳米线均匀地分布在纳米颗粒中，能在薄膜顶端收集的电子直接通过一根纳米线传导到基底，更有效的收集电子。

减小薄膜的孔洞率，提高染料的吸附量；用水热法制备氧化钛纳米带。

研究适用于大面积太阳电池的基于斜式透明纳米管阵列的多孔薄膜电极，这种新型纳米管具有光吸收强，电子扩散长度长，阻挡层薄，可以正面光入射等优点，将会有效地提升染料敏化太阳电池的光电转换效率。

可控、宏量制备基于一维TiO2半导体单晶纳米线阵列的高比表面介孔薄膜表面包覆、致密的超宽带隙半导体金属氧化物或绝缘体钝化半导体电极。

高性能多孔薄膜半导体的电子结构计算和物理图像模拟：

借助日渐成熟的现代量子化学计算方法和材料计算软件，通过已经开发的模型模拟分子在半导体纳米晶表面的姿态以及染料分子吸附在纳米晶表面的电子态分布，探索染料分子在半导体纳米晶表面的自组装姿态、染料分子的能级变化等对半导体纳米晶的电子态的影响规律。

通过部分+整体的方法和动力学手段研究光电稳定性。

将染料、TiO2、电解质和Pt对电极等组成最小光电化学体系：

染料+TiO2、TiO2+电解质、电解质+Pt对电极、染料+电解质等。

通过动力学手段结合原位拉曼、红外等表征手段，研究最小系统中的稳定性因素，找出小体系最薄弱的环节，研究DSC光电稳定性。

从分子角度出发，研究材料分子微观结构与宏观理化性能间的关系；从材料角度出发，明确材料不同特性对DSC各项参数及性能的影响。

最终通过分子结构的设计对材料的各项理化性能加以调控，得到DSC适用的高效新型电解质和对电极。

具体可分以下几个方面：

a.研究联苯类液晶晶体生长动力学特性以及其在固化液体电解质过程中自组装成晶原理；通过分子结构设计对联苯类液晶分子官能团进行修饰及改造，研究不同分子结构对液晶的结构、形貌及液晶电解质中的电荷输运影响；通过理论计算分析液晶电解质中液晶结构对陷光性能的影响，并筛选出适用DSC的高性能液晶准固态电解质。

b.高空穴迁移率的无挥发快离子导体材料的研究。

以咪唑啉、吡咯啉等为阳离子，以四氰基硼酸根、双氟磺酰胺等为阴离子设计合成新型离子液体，通过对所得材料进行组分、结构和微尺度凝聚态物性表征，引入纳米团簇改变离子液体的传输特性，从而获得高离子迁移率的软物质，达到提升电荷传输效率的目的。

c.通过改变凝胶剂的量实现对准固态电解质微观结构和热稳定性的控制，通过检测准固态电解质的微观自组装三维网络结构，检测新型固态电解质的溶液\凝胶转变温度（TSG），了解准固态电解质的固化机理，对电导率随温度变化的关系进行理论拟合，分析准固态电解质中碘离子的传输机理，制备基于准固态电解质的电池器件，优化电池的各项工艺参数，研究电池的电流/电压特性。

d.通过密度泛函计算研究有机空穴材料分子结构对空穴输运性能的影响，通过分子剪裁对有机空穴输运材料的结构进行精细能级调控，发展先进的固态离子型有机空穴输运材料，实现离子和空穴双向传输，从而大幅提高电荷迁移率。

e.通过电化学快扫描循环伏安法加速老化铂电极，对比自然老化铂电极，找出两种老化方法对电极产生影响的异同。

通过检测铂电极的微观结构，研究铂对电极表层薄膜成分的变化。

对DSC常用电解质各组分如溶剂、碘、添加剂等作用对铂电极的老化分析测试，明确各组分对铂电极老化性能造成的影响，最终得到明确的铂电极老化机理。

同时降低载铂量，提高铂电极催化活性，延长铂电极的使用寿命。

2）电池机理和界面动力学的研究

以高性能染料敏化太阳电池为研究对象，利用电/光调制阻抗技术，研究器件电压/电流对施加正弦电压信号的响应，获得载流子输运与复合的关键物理参数，如：

纳米TiO2半导体薄膜化学电容、电子寿命、扩散系数、扩散长度，纳米受限环境中无溶剂离子液电解质和有机空穴输运材料的载流子输运电阻和扩散系数，纳米尺度界面电荷转移电阻和电容；在稳态光照基础上，对器件施加正弦光调制信号，测量其电压或电流响应，获得介孔TiO2半导体纳晶薄膜中电子寿命、扩散系数、扩散长度等物理参数；对上述器件入射稳态的背景光，在此基础上施加快速的方波扰动光，测量器件光电压或光电流的衰减过程，得到纳米尺度TiO2半导体薄膜中电子的复合速率常数、化学电容等物理信息。

将上述三种技术相结合，可以深入研究染料敏化太阳电池中载流子输运的工作机理。

染料敏化太阳电池内部存在至少7个接触界面和2个扩散薄层，每个界面和薄层之间电荷转移速度对应一个动力学常数。

染料敏化太阳电池体系的动力学常数涉及时间范围非常广，大约在10-1210-1s之间。

只有动力学常数之间匹配电池才能实现能量的输出。

要使染料敏化太阳电池最大限度的输出能量，各个动力学常数需要进行互相调控。

电子收集的速率常数与电子复合速率常数差决定开路电压大小，而各个动力学常数的最慢步骤限定着短路电流的大小。

我们将建立一个涉及到9个时间常数的动力学模型，将各个动力学常数的决定因素、边界条件和变化范围综合考虑，并且将界面动力学常数与宏观参数如开路电压、短路电流、填充因子和电池效率等结合到一起，对电池的界面动力学进行调控。

通过计算机模拟找出限制电池效率瓶颈，获得电池最佳运行状态时各个参数的最佳范围。

确定各个动力学常数的最优范围；通过技术手段来调整或优化电池中2个薄层和7个界面，加快电子传输和转移速度，电子收集和扩散速度，降低电池中有负面影响的电子复合速率，最终达到接近理论上的能量最大输出。

3）高效电池和组件结构的设计与优化计算

采用热注入法等湿化学合成法制备CdS、CdSe、PbSe等量子点材料，改变反应温度、气氛、反应物配比等控制量子点材料的生长，实现对产物形貌和尺寸的控制，采用巯基羧酸等双功能团分子连接实现量子点在纳晶电极上的高效沉积，采用化学浴沉积或者连续离子层吸附反应等方法直接在纳晶薄膜电极表面生成量子点，通过“种子层”等方法提高量子点材料在纳晶薄膜电极表面的覆盖率，通过形貌及光吸收性能测试研究量子点与纳晶薄膜电极的吸附，通过尺寸控制实现量子点与纳晶电极之间的最佳能级匹配，引入共敏化染料调节电荷的注入，通过电化学阻抗谱、调制光电压（流）谱等光电调制技术的研究提高器件性能。

探索制备一维纳米材料的最佳实验条件，研究微观结构对染料吸附性质以及电池性能的影响，用光电调制技术研究载流子的传