敏化太阳电池新机制:能量转化“痕迹”追踪——光/电诱导界面和层间微质量响应研究
批准号:
12164029
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
38.0 万元
负责人:
刘伟庆
依托单位:
学科分类:
与光学有关的交叉领域
结题年份:
2025
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
郝中骐、陈文浩、杨淑青、吴宗建、施菁、李大田、蔡洪峰、徐小波、韩保硕
中文摘要
敏化太阳电池(DSC)内部光阳极/阴极处发生的多种相间光电过程是能量转化效率的关键因素,这些过程引起的界面微质量变化一直被忽视。基于此,项目提出追踪固液相间光电转化过程“痕迹”——界面微质量变化和电解液层内质量转移的新学术思想,拟从一个崭新的角度对DSC工作机理进行研究。项目首先通过巧妙的结构设计,构建了三种可以获得界面质量响应的特殊器件MDSC;其次,研究光阳极和光阴极两种类型MDSC,获得光阳极(阴极)界面处光/电诱导质量动态变化规律,定性和定量揭示光阳极(阴极)界面处原位质量变化和光电转化过程二者的相互作用机制;最后,研究对称型MDSC,明晰双极板间电解液层质量转移过程,形成完整的器件内部质量响应机制,实现从界面质量变化直接或者间接地推断、追踪、预测器件内部光电转化机制。项目的开展将丰富现有DSC光电转化理论,为筛选制备电池材料,探索器件老化机理,进一步提高DSC效率提供理论参考。
英文摘要
Multiple microscopic processes occur at the photoanode/cathode inside the sensitized solar cell (DSC), which is a key factor in determining efficiency. The change in interface mass caused by these microscopic processes has been neglected. Based on this, the project puts forward a new academic idea of "trace" of photoelectric transformation process between solid and liquid phase -- interface mass change and internal mass transfer in electrolyte layer. It is proposed to study the working mechanism of DSC from a new perspective. Firstly, through the ingenious structural design, the project constructed three special devices MDSC that can obtain the interface mass response. Secondly, study the photo-anode and photo-cathode MDSC to obtain the optical/electrical induced mass dynamics at the photoanode (cathode) interface. Qualitative and quantitative disclosure of the interaction mechanism between the in-situ mass change and the photoelectric conversion micro-process at the photoanode (cathode) interface. Finally, the symmetrical MDSC is studied to clarify the mass transfer process in the electrolyte layer between the bipolar plates and form a complete the internal mass response mechanism of the device. The photoelectric transformation mechanism of DSC can be further understood from the perspective of interface quality change. The development of the project will enrich the existing DSC photoelectric conversion theory, and provide a theoretical for preparing DSC materials, exploring the aging mechanism of the device, and further improving the DSC efficiency.
本项目围绕敏化太阳电池(DSC)内部界面微质量动态演化机制开展研究,构建了集成石英晶体微天平(QCM)、电化学QCM(EQCM)及光响应QCM的界面微质量测试体系,实现了光/电诱导下界面纳米级质量变化的实时定量监测,阐明了相关界面过程的微观机制。.主要研究内容及成果如下:1)构建并表征了高稳定性、高精度QCM/EQCM测试系统,该系统1000秒内频率漂移≤0.5 Hz,质量灵敏度系数(k=1.33 ng/Hz)与理论值高度吻合,验证了系统可靠性;构建了三种可以获得界面质量响应的特殊型器件MDSC,在此基础上开发光响应QCM测试模式,实现了不同光照条件下光电界面质量输运的原位追踪。2)针对DSC光阳极界面,创新性采用温度调制QCM(TM-QCM)技术,首次揭示染料N719与共吸附剂胆酸(CDCA)在TiO₂表面吸附的热稳定性差异,发现CDCA在40°C下近乎完全脱附。基于此提出“吸附位点腾挪-补充敏化”新策略,突破传统共吸附策略中染料负载量与有序性的固有矛盾。经该策略修饰的光阳极,染料吸光度较传统共吸附体系提升126.7%;对应的器件(Device 5)短路电流密度(Jsc)达9.21 mA/cm²,较共吸附对照器件(Device 2)提升156.3%,且开路电压(Voc)维持较高水平。3)系统探究敏化剂/电解液界面对环境湿度的微质量响应规律,发现97%相对湿度(RH)下,N749、N719、N3、Z907四种钌系染料平均吸附水分子数分别为8、6、5、3个,阐明分子结构(如亲水性羧基数量)对界面亲水性及微质量累积行为的直接调控作用;同时发现量子点薄膜具有更优异的湿度响应稳定性。4)借助EQCM技术,深入解析对称型及光阴极型DSC中电解液的界面质量转移机制,明确了S²⁻/Sx²⁻氧化还原电对在金电极上的复杂沉积/溶解过程及动力学特性,原位监测了Cu₂S对电极的恒电位电沉积及循环伏安硫化过程,证实产物CuxS中x值约为1.8,揭示了其非化学计量比形成机制及伴随副反应路径。本研究通过构建微质量监测技术体系,为DSC及钙钛矿、量子点电池等新型光伏器件的界面制备工艺优化与工作机理阐释提供了全新定量研究视角和方法学支撑,提出的界面调控策略对高性能、高稳定性光电器件的设计开发具有重要指导价值。
敏化太阳电池新机制:能量转化“痕迹”追踪——光/电诱导界面和层间微质量响应研究
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批准号:12164029
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:38.00万元
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批准年份:2021
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负责人:刘伟庆
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依托单位:
染料敏化太阳电池内部固/液接触界面性能“发育”机制研究
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批准号:11764029
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:44.0万元
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批准年份:2017
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负责人:刘伟庆
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依托单位:
宽光谱可排列多层共敏化薄膜太阳电池构建及其载流子传输动力学研究
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批准号:11464029
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:50.0万元
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批准年份:2014
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负责人:刘伟庆
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依托单位:
国内基金
海外基金