基于叶绿素空穴传输材料的固态染料敏化太阳能电池的研究
随着化石燃料的大量消耗以及燃烧带来的气候变暖问题，开发清洁能源已经迫在眉睫。可以替代化石能源来继续推进人类社会发展的太阳能具有很大的潜力，并且光伏器件是将光能转化为电能的重要手段。自1991年以来，染料敏化太阳能电池由于生产成本低，效率高等优点正式进入科研工作者的视野，并发展迅猛。然而，传统的染料太阳能电池中的液态氧化还原电解质有腐蚀性、容易发生泄漏。因此，通过引入高效和环保的固态空穴传输层构建固态染料敏化太阳能电池被认为是更加行之有效的方法。现如今，固态染料敏化太阳能电池中对于光的吸收主要取决于染料敏化剂，而常见的空穴传输材料由于不具备吸光的能力，无法与敏化剂协同工作，来提高整体器件对光的吸收率。叶绿素作为自然界中储量丰富的天然色素，具有出色的吸光能力，并在光合作用中可以实现激子的解离和转移。此外，叶绿素具有结构简单，易于调控等优点，人为调控后的叶绿素衍生物表现出更为优异的光捕获能力以及电荷提取能力，这些性质均有利于该材料作为空穴传输材料应用在固态染料敏化太阳能电池中，进一步提高电池的光电性能。鉴于此，本文将通过分子工程合成的含锌叶绿素衍生物作为空穴传输层，探究不同染料对固态染料太阳能电池光电性能的影响，进一步开发具有优异光电转换性能的光伏器件。 首先，以叶绿素-a（Chl-a）为原材料，人工合成卟啉环C3位置含有羟基，C13位置含有羰基以及中心金属Zn的含锌叶绿素衍生物（ZnChl），该材料具有较高的载流子迁移率，以及通过旋涂等简单工艺方法可以实现π-π堆积的J聚集体。以ZnChl为空穴传输材料，吲哚染料分子（D131，D149，D102）为敏化剂，研究固体染料太阳能电池的运行机制和光伏特性。其中D131吲哚为敏化剂所制备的电池获得了1.18%的最优光电转换效率，光电性能优于基于D149和D102染料的器件。且空穴传输材料含锌叶绿素由于自身的光捕获性能，可以被光激发产生电荷并解离，对光电流有一定的贡献。因此，叶绿素衍生物作为低成本和环境友好的绿色材料，为光伏器件的空穴迁移材料提供了一种新的研究方向。 为了进一步改善含锌叶绿素衍生物为空穴传输层的固态染料敏化太阳能电池的光电性能，我们通过多种染料进行共敏化的策略来提高器件的光电转换效率。选择叶绿素-a（Chl-a）衍生物H2Chl-1作为主要发色团，叶绿素-b（Chl-b）衍生物H2Chl-2和类胡萝卜素（Car）作为H2Chl-1的补偿敏化剂。其中，由H2Chl-1和Car为共敏化剂所制备的器件与没有Car共敏化的TiO2-(H2Chl-1)器件相比，光电转换效率增加了40%，光伏器件的光吸收和电子注入效率都有所提高且界面处电荷转移电阻降低。 以上基于叶绿素衍生物为空穴传输材料应用于光伏器件的探究切合当今绿色经济发展的需求，使我们更加深入的了解到天然色素应用在光伏器件中的巨大潜力，更加有助于实现可再生清洁能源的实际应用。
固态染料敏化太阳能电池;光合色素;空穴传输材料;共敏化;叶绿素衍生物
吉林大学
硕士
凝聚态物理
王晓峰
2023
中文
TM914.4;TM242
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）