光电双功能材料的合成和表征及其光伏器件应用研究

在太阳电池、电致发光元件、光学传感器等诸多领域中有良好应用前景的有机功能分子是材料领域的研究热点。染料敏化太阳电池（DSC）是蓬勃发展的一种新型光电转换技术。固态空穴传输材料有望解决该类电池的器件密封难题，改善器件稳定性，近年来备受各国研究者关注。目前全固态DSC电池光电转换效率已高于5.0%，但是和其他类型电池比较仍然偏低，主要原因是染料对可见光的吸收能力有限以及界面快速电荷复合过程。本工作拟合成具有空穴传输单元的双功能染料，在增强分子吸光能力、拓宽吸光范围的同时，通过拓展分子HOMO电子离域增加染料阳离子正电中心和TiO2表面的空间距离，抑制固态有机太阳电池中的界面快速电荷复合过程；并期望通过改变染料分子的极性而改善材料之间相互浸润、微孔填充，从分子水平上提供有效抑制电荷复合过程的方法，掌握合成结构和功能可控的功能染料分子的关键技术，实现高效、稳定固态DSC电池。

在太阳电池、电致发光元件、光学传感器等诸多领域中有良好应用前景的有机功能分子是材料领域的研究热点。本工作合成了系列具有空穴传输单元的双功能染料，在增强分子吸光能力、拓宽吸光范围的同时，通过拓展分子HOMO 电子离域增加染料阳离子正电中心和TiO2 表面的空间距离，抑制固态有机太阳电池中的界面快速电荷复合过程；并通过改变染料分子的极性而改善材料之间相互浸润、微孔填充，从分子水平上提供有效抑制电荷复合过程的方法，掌握了合成结构和功能可控的功能染料分子的关键技术。.取得了主要研究结果包括：A）通过对D-π-A结构卟啉类染料进行优化，拓宽了染料光谱吸收范围，提高器件性能。我们1）第一次报道将卟啉染料敏化太阳能电池器件的IPCE响应范围至860 nm，效率达到9.5%；2）证明染料敏化的TiO2电极和电解液之间的电荷复合是降低器件效率的关键；3）应用扫描电化学显微镜研究结果表明卟啉比其他染料具有较大受光截面积的优势（~7×105 cm2 mol-1）；4）第一次报道将吡啶作为链接官能团引入卟啉等染料及其应用。B）第一次报道电还原多层氧化石墨烯在高效染料敏化太阳能电池对电极的应用研究。报道了在低沸点有机电解液和离子液体体系中基于石墨烯对电极的DSC电池9.5%和7.6%世界纪录的光电转换效率。C）我们提出研究第三代太阳能电池界面电荷传递动力学新方法，进行钙钛矿敏化NiO太阳能电池研究；明确钙钛矿/p型选择性电极界面电荷积累限制了钙钛矿电池性能。实现钙钛矿太阳能电池与超级电容器的集成，其总效率超过10%，成为太阳能电池和电容器联用装置中效率记录。我们构造了一种全新的基于无机氧化物P-i-N 结构的钙钛矿电池，应用P-i-N 提供电荷漂移的电场，获得更好的光生载流子的收集效率，实现了器件的光电转化效率的提升。.我们实现了1)合成在新型电子光学双功能染料，实现染料阳离子中 HOMO 和TiO2 表面进行空间分离;2)实现开路电压高于800 mV，短路电流10 mA/cm2 的固态染料敏化太阳电池器件（效率高于5.5 %）的课题研究任务。.在课题任务执发表研究论文57篇，包括Nano Lett., Energy Environ. Sci.在内的影响因子>10的论文7篇，其中引用次数超过10次的次的论文20篇。5次受邀参加国际会议，培养了3名博士生，5名硕士生。

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