染料敏化太陽電池

染料敏化太陽電池研究科學(xué)研究一般方法太陽能光伏轉(zhuǎn)換介紹染料敏化太陽電池的原理染料設(shè)計(jì)器件制備性能指標(biāo)研究方法與技術(shù)目錄研究生階段是從學(xué)習(xí)知識(shí)向綜合使用知識(shí)的轉(zhuǎn)變，從接受訓(xùn)練向?qū)崿F(xiàn)計(jì)劃、完善自己、表達(dá)自己并交流提高的轉(zhuǎn)變，從做作業(yè)解答問題、按實(shí)驗(yàn)講義步驟做實(shí)驗(yàn)向選擇問題、分析問題、提出解決計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證、并總結(jié)表達(dá)自己科學(xué)活動(dòng)過程和結(jié)果的轉(zhuǎn)變，達(dá)到能規(guī)劃自己的研究?jī)?nèi)容步驟、組織安排自己的時(shí)間、完成工作并分析評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)整驗(yàn)證,獲得有價(jià)值的科學(xué)結(jié)論或建立實(shí)現(xiàn)有效的方法和工具。評(píng)價(jià)，遠(yuǎn)見，設(shè)計(jì)，執(zhí)行，交流研究生自然科學(xué)的研究對(duì)象和內(nèi)容生命科學(xué)：基本特征：繁衍，新陳代謝物質(zhì)科學(xué)：基本特征：物質(zhì)，能量，時(shí)間，空間物理：物質(zhì)的物理變化及其相互作用化學(xué)：物質(zhì)的化學(xué)變化及其相互作用力與運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能，勢(shì)能，光,聲，磁,電…及轉(zhuǎn)化鍵，離子、共價(jià)，相互作用，電子共享、得失，極化，結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、行為(熱力學(xué)動(dòng)力學(xué))知識(shí)應(yīng)用？結(jié)構(gòu)？自然科學(xué)的研究一般方法和步驟規(guī)劃：收集資料,規(guī)劃涉及的研究目標(biāo)、需解決的問題、相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)、人力物力和產(chǎn)出羅列可能的探索方向和內(nèi)容，涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，依因果鏈、證據(jù)鏈設(shè)計(jì)步驟順序、反饋調(diào)整、時(shí)間安排具體執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)：依計(jì)劃設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)、做實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)，綜合分析:各物理量的關(guān)系、條件、序列、對(duì)比、驗(yàn)證，估計(jì)和推測(cè)－輕重主次、可行，完善因果鏈、證據(jù)鏈總結(jié)、調(diào)整、反饋系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，注意事?xiàng)，數(shù)據(jù)處理，可能意外的估計(jì)、對(duì)策、釋因，實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化調(diào)整驗(yàn)證交流表達(dá)：文字、圖表、語言，因果、證據(jù)、推理、釋疑、不足表達(dá)的核心：條理清晰，思路順暢基礎(chǔ)概念、理論、格式、圖表－－清晰實(shí)驗(yàn)－目的和步驟，研究對(duì)象狀態(tài)控制，實(shí)驗(yàn)條件－因變量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果－響應(yīng)變量數(shù)據(jù)分析－計(jì)算，推導(dǎo)，關(guān)聯(lián)，比較結(jié)果表達(dá)－思維順序，系列因果證據(jù)鏈，比較，推理，結(jié)論，問題，可能的因果后續(xù)計(jì)劃－完善、調(diào)整、應(yīng)對(duì)問題評(píng)價(jià)－結(jié)論，不足和困難結(jié)構(gòu)物質(zhì)(材料),能量化學(xué)及其衍生物理及其衍生生命相關(guān)支持工具與技術(shù)：數(shù)學(xué)、語言、電子、機(jī)械等運(yùn)動(dòng)變化代謝繁衍自然科學(xué)動(dòng)態(tài)演化相互關(guān)系化學(xué)基礎(chǔ)原子間的電子得失：氧化還原、化合、分解…原子的電子共享：化合、復(fù)分解…原子、分子相對(duì)位置重排：結(jié)構(gòu)、晶體…伴隨變化：光、熱、電、結(jié)晶、相變等材料：微介宏觀性質(zhì),功能,界面,相互作用科學(xué)研究與應(yīng)用

預(yù)測(cè)太陽能發(fā)電—在未來能源中占有重要地位能源需求太陽電池行業(yè)現(xiàn)狀年增長率40%左右93407900

4000250017591195744.3561世界太陽電池發(fā)貨量（MWp）理論極限光源能量：黑體輻射,太陽,地面陽光能量標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G=1000Wm-2(AirMass1.5Global,25℃,100mWcm-2)最大積分電流密度73mAcm-2,大于1.1eV全吸收時(shí),最大電流密度43mAcm-2垂直輻照，大氣層外為AM0，地面為AM1其它AM=1/cosθ染料現(xiàn)狀材料對(duì)光的吸收不是唯一重要的2009器件水平，2013實(shí)驗(yàn)室DSC達(dá)12%現(xiàn)狀2013太陽電池最好水平半導(dǎo)體太陽電池思路：異質(zhì)結(jié)、隧道結(jié)可控制備Eg=2.2eV,

λ=0.56nm(a-SiO,a-SiC)上轉(zhuǎn)換換Eg=1.1eV,

λ=1.13nm(poly,mc-Si)Eg=1.4eV,

λ=0.89nm(a-SiGe)Eg=1.7eV,

λ=0.73nm

(a-Si)Eg=0.8eV,

λ=1.55nmuc-SiGe硅基半導(dǎo)體薄膜疊層其它半導(dǎo)體復(fù)合薄膜：鎵、砷、磷、鋁、銅、銦、硒、碲、鎘、硒、銻、氮、硫核心：精確控制晶體結(jié)構(gòu)、能帶、界面(晶格匹配，帶隙－光匹配，界面－隧穿結(jié))半導(dǎo)體性質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、能帶結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)、載流子類型,光電轉(zhuǎn)換測(cè)量半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié):2000年諾貝爾物理獎(jiǎng)

吸收向紅外波段擴(kuò)展激子染料敏化電池染料思路增強(qiáng)消光系數(shù)η總

=(Jsc×Voc×FF)/Pin能級(jí)工程材料：吸收更廣更多的光轉(zhuǎn)移更多的能量界面結(jié)構(gòu)工程正反向的競(jìng)爭(zhēng)更少的損失研究思路染料敏化太陽電池結(jié)構(gòu)FTOTiO2dyeElectrolytePtFTO組成:負(fù)極染料敏化的多孔納米晶氧化物半導(dǎo)體膜電極，常用的是納米晶TiO2

、ZnO、SnO2

、Nb2O5和SrTiO3等。微米級(jí)厚度正極是沉積鉑的導(dǎo)電玻璃。有機(jī)電解質(zhì)：氧化還原電對(duì)常用I-/I3-工作原理(1)光吸收捕獲(2)激子解離(3)染料再生(4)半導(dǎo)體中電子的輸運(yùn)(5)電解質(zhì)再生(6)非注入失活(7)半導(dǎo)體中電子與氧化態(tài)染料復(fù)合(8)半導(dǎo)體中電子與電解質(zhì)中氧化物的復(fù)合1、2、3、4、6、7、8都與染料、TiO2的關(guān)系有關(guān)5在對(duì)電極界面發(fā)生，3、8受O/R在電解質(zhì)中的傳輸影響3、5、8受電解質(zhì)成分影響DSC工作原理27348651光吸收解離、電子注入fs~ps界面處染料再生ns~10us電荷輸運(yùn)收集ms?？？5.還原性淬滅ps~ns6.激子失活10ps~10ns～10nm7.Geminatechargerecombination8.

界面電荷復(fù)合ms-s電子躍遷時(shí)間尺度是10-15~10-16s振轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間尺度－弛豫在10-11－10-14s膜厚100nm~10um,膜中過程，希望激子壽命長些，以便能擴(kuò)散到界面處更好的電荷解離、注入電子被收集慢些快些A-剛性D-----e--A-TiO2D及輔基，幫助吸附取向，阻止復(fù)合O/R,再生快，復(fù)合慢影響DSCs工作效率的關(guān)鍵因素相對(duì)能級(jí)圖，熱力學(xué)損失(動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)力)－>動(dòng)力學(xué)調(diào)整的余地發(fā)電是不斷取出能量的過程，固定個(gè)別狀態(tài)是為了研究能級(jí)分析自由能圖態(tài)密度分布圖多種分析方式、分析角度、分析用途態(tài)分析染料:吸收光，激子解離，電子送電極，再生(1)化學(xué)結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、幾何結(jié)構(gòu)(2)吸附過程(3)光電轉(zhuǎn)換中的聯(lián)合動(dòng)力學(xué)(結(jié)構(gòu)、化學(xué))研究技術(shù)(1)元素分析，光譜，界面電化學(xué)，電鏡，XPS(2)I/E,IMPS,IMVS,瞬態(tài)激光,擾動(dòng)(E,I,hr)(3)量化計(jì)算，模型分析，數(shù)據(jù)分析電池器件制備：材料：TiO2,電解質(zhì)，I/I3，添加劑(1)競(jìng)爭(zhēng)共吸附(2)界面微結(jié)構(gòu)(3)離子遷移(4)界面電化學(xué)電池性能(1)短路電路，開路電壓，轉(zhuǎn)換效率(2)半導(dǎo)體電極態(tài)密度分布、費(fèi)米能級(jí)，載流子濃度、分布、壽命、擴(kuò)散與輸運(yùn)，(3)聯(lián)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和關(guān)鍵步驟總體目標(biāo)：大電流高電壓高轉(zhuǎn)換效率長壽命ADCB核心：復(fù)雜界面微區(qū)域的時(shí)間、空間、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、能量(級(jí))、載流子輸運(yùn)、變化速度、平衡，相互作用量的因素驅(qū)動(dòng)力因素總體概況增大donor和acceptor之間的距離，促使電荷分離，減小復(fù)合增大donor的電子云密度增大acceptor的吸電子能力吸附穩(wěn)定，促進(jìn)注入給體：促進(jìn)再生，阻止復(fù)合染料設(shè)計(jì)能級(jí)匹配，結(jié)構(gòu)匹配，正向促進(jìn)，反向阻礙熱力學(xué)合理，動(dòng)力學(xué)調(diào)控TiO2O/R,電解質(zhì)基本特征：富電子給體D、貧電子受體A、共軛單元釕金屬配合物，Zn卟啉類，酞菁類香豆素類，噻吩吲哚類咔唑類三芳胺類C系列，China,ciac,釕配合物，三芳胺，噻吩C系列，China,ciacC系列，China,ciac染料合成染料合成:目標(biāo)(1)

結(jié)構(gòu)剛性，光譜擴(kuò)展，減緩激子淬滅失活，延遲激子壽命，促進(jìn)界面電荷分離，HOMO、LUMO合適；(2)A吸D推幫助電荷分離，長程電子傳遞途徑，易于再生；(3)D-的側(cè)鏈輔助基團(tuán)，促進(jìn)吸附取向，阻止復(fù)合，易于制備。多種需求的平衡合成策略:(1)結(jié)構(gòu)的選擇，光譜，光電；(2)D的選擇，三苯胺、芴等；(3)輔助基團(tuán):長度、柔性、末端(-CN、-OH、糖、環(huán)己烷衍生、-O-)、枝化、其他。提高溶解度，便于分離。其他：再生的促進(jìn)、中介中繼、hop位點(diǎn)?制備過程TiO2基底TiO2基底:納米晶(凸凹)。柱(凸)、管(凹)、鍥(凹)、三維(凹)，凹(倒冠狀)接界處理，載流子輸運(yùn)，復(fù)合阻止染料-基底:牢固的吸附取向形態(tài)結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)能級(jí)、結(jié)構(gòu)、界面匹配制備可控，電池工藝可控電解質(zhì)、氧化還原對(duì)、添加劑支持電解質(zhì)、添加劑:對(duì)吸附、溶解、穩(wěn)定不揮發(fā)、無毒、電性質(zhì)氧化還原對(duì):可逆性、利于染料再生、不利于復(fù)合、利于對(duì)電極復(fù)原、電解質(zhì)中擴(kuò)散快(作用位點(diǎn)?)離子形態(tài)、極性、變形重組性能、和染料的相互作用、和基底的相互作用再生、復(fù)合、復(fù)原機(jī)理恰當(dāng)，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)恰當(dāng)電池制備電池制備：優(yōu)化目標(biāo)：制造最佳的能級(jí)匹配的界面光電轉(zhuǎn)換微區(qū)域結(jié)構(gòu)(1)光收集最佳化：大顆粒散射(2)納米晶制備(3)工藝：FTO處理，TiO2擔(dān)載，機(jī)械處理，熱處理，吸附過程(溫度時(shí)間優(yōu)化)(4)新型電解質(zhì)(5)添加劑:共吸附，離子導(dǎo)電率主要目的：光電轉(zhuǎn)換微區(qū)域的能級(jí)匹配、載流子壽命與輸運(yùn)結(jié)構(gòu)匹配、吸附與結(jié)合、阻止復(fù)合關(guān)鍵問題研究?jī)?nèi)容與方向：材料與染料：染料合成、制備，IPCE,譜范圍擴(kuò)展,多染料互補(bǔ)混合；TiO2改性基底(現(xiàn)場(chǎng)制備、處理,管、絲、鍥、核殼結(jié)構(gòu),摻雜碳、石墨烯、各種納米粒子ZnS/Au等),巢狀結(jié)構(gòu)…

(2) 電池工藝：晶面、孔率、比表面、粒徑；基底處理,清洗，TiO2層，吸附、共吸附,熱處理,封裝…

電解質(zhì)與氧化還原對(duì)：液體、固態(tài),平衡電位,空間構(gòu)型、結(jié)構(gòu)重組….(4) 注入和再生的研究：影響因素、影響方式、評(píng)價(jià)方式,激子壽命,改進(jìn)方式(5) 復(fù)合與傳輸:動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、擴(kuò)散,表面陷阱態(tài)(6) 染料、TiO2組裝體，氧化還原對(duì),電解質(zhì),添加劑,吸附取向,各因素間的相關(guān)性，對(duì)再生、復(fù)合的影響關(guān)鍵問題核心：電子濃度分布,表面陷阱態(tài)狀態(tài)；受TiO2如何和染料相互作用影響,影響導(dǎo)帶底、傳輸、復(fù)合；復(fù)合過程,氧化還原對(duì)和TiO2電子交換機(jī)制染料：吸收擴(kuò)展、激子壽命、電荷分離、再生TiO2：電荷收集、傳輸、復(fù)合電解質(zhì)氧化還原對(duì)：穩(wěn)定、阻止復(fù)合、促進(jìn)再生納米晶及其界面反應(yīng)

－－不是體相，不是粒子，不完全服從統(tǒng)計(jì)一個(gè)大約數(shù)十萬個(gè)原子構(gòu)成表面原子大約數(shù)萬個(gè)納米晶載流子的存在壽命和輸運(yùn)方式，接界處的載流子轉(zhuǎn)移和染料的相互作用和氧化還原物質(zhì)的作用和添加劑、電解質(zhì)的作用各過程的時(shí)間級(jí)別研究技術(shù)方法、數(shù)據(jù)分析、模型半導(dǎo)體，染料，能級(jí)分布，光，半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)方式－空間電荷區(qū)，壽命、光與物質(zhì)的作用－半導(dǎo)體光電效應(yīng)光與物質(zhì)的作用－化學(xué)物質(zhì)－光譜、能級(jí)、結(jié)構(gòu)，激子解離，電子能級(jí)、振轉(zhuǎn)能級(jí)，能級(jí)兼并能量轉(zhuǎn)換與輸運(yùn)界面相互作用－納米晶表面－染料，納米晶表面－I/I3,納米晶表面的電化學(xué)反應(yīng)I/E曲線基本分析：比較分析無染料，有染料，有光，無光，多種染料，特征？光譜分析，瞬態(tài)光譜分析，相互作用分析各狀態(tài)(每個(gè)I－E數(shù)據(jù)對(duì))下，E,I,hr擾動(dòng)和實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析本質(zhì)：各狀態(tài)(每個(gè)I－E－h(huán)r)下，各過程的關(guān)聯(lián)(穩(wěn)態(tài)和控制步驟)的綜合表現(xiàn)目標(biāo)：分析現(xiàn)象和本質(zhì)間關(guān)系，提出優(yōu)化途徑基本過程：產(chǎn)生激子(光子吸收)－染料產(chǎn)生電子(激子解離)－染料納米晶輸運(yùn)收集－納米晶FTO再生－染料||I/I3復(fù)合－納米晶||染料D+,納米晶||I/I3納米、微米尺度界面，吸收光、電荷分離、輸運(yùn)收集，再生、復(fù)合穩(wěn)態(tài)光調(diào)制光穩(wěn)態(tài)光產(chǎn)生率穩(wěn)態(tài)光+調(diào)制光產(chǎn)生率R(x)TiO2G(x)T(x)TCOTiO2G(x)TCO短路條件：IMPS響應(yīng)開路條件：IMVS響應(yīng)復(fù)合R(x)產(chǎn)生G(x)傳輸T(x)電池機(jī)理和界面電荷輸運(yùn)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)問題收集研究技術(shù)和電池性能電池性能宏觀(表觀)表征物理量及關(guān)系各研究測(cè)量技術(shù)的步驟條件，獲取的信息光電轉(zhuǎn)換微區(qū)域光電轉(zhuǎn)換的機(jī)理和研究技術(shù)(實(shí)驗(yàn)條件、狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)、暫態(tài))量化計(jì)算(能級(jí)、相互作用、光電轉(zhuǎn)換過程的動(dòng)態(tài)模擬:能態(tài)、分子結(jié)構(gòu)姿態(tài)、時(shí)間、空間)，模型分析(機(jī)理分析，各種條件下的特征參數(shù))，微觀、介觀、宏觀多尺度(光、電、時(shí)空結(jié)構(gòu)、能量)數(shù)據(jù)的分析、綜合、關(guān)聯(lián)因果鏈、證據(jù)鏈建立系統(tǒng)的表征技術(shù)方法體系電解池模型電化學(xué)：研究電壓電流與物質(zhì)變化的關(guān)系hvDSC簡(jiǎn)化模型VrI恒電位儀：研究、測(cè)量、使用hv基本表征：J~V曲線RwCwREWRCEhvIV曲線的意義開路電壓：電流為0時(shí)的電壓決定于光照條件下半導(dǎo)體中準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與電解質(zhì)氧化還原電勢(shì)之差電解質(zhì)氧化還原電位由能斯特公式給出(I/I3大量，Pt金屬電極)電流為0時(shí)，半導(dǎo)體中準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)－半導(dǎo)體最大程度接受染料送來的電子短路電流：電壓為0時(shí)的電流染料送來的電子最快速率(電子轉(zhuǎn)移向外電路的速度最快)其它電壓電流下，半導(dǎo)體中電子濃度和能級(jí)(態(tài))分布決定了電壓、電流，復(fù)合IV曲線的意義:穩(wěn)態(tài)特征電流：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積(體積)提供的載流子流量電壓:驅(qū)動(dòng)力，活化能，能級(jí)差等低壓的電流平臺(tái)區(qū)：載流子提供和復(fù)合總處于穩(wěn)態(tài)，表觀上與電壓無關(guān)，電壓變化來自載流子累積高功率的轉(zhuǎn)折過渡區(qū):復(fù)合開始強(qiáng)于載流子注入和提取，高壓的平臺(tái)區(qū):復(fù)合強(qiáng)于載流子注入和提取,載流子注入達(dá)到最大極限，電壓增強(qiáng)了復(fù)合研究目標(biāo)－－－電流－載流子流量提高：提高光吸收，提高注入－染料，電池制備，載流子輸運(yùn)

電壓－阻止復(fù)合－阻止I/I3向納米晶靠近，不影響染料再生物質(zhì)－結(jié)構(gòu)－能量－過程吸收再生輸運(yùn)注入外電路負(fù)載O/Rhv電池整體圖像？對(duì)極電位半導(dǎo)體中電子濃度和分布決定了電壓(變化)，染料注入電子速率(正向)＋輸運(yùn)－復(fù)合速率(反向)

＝收集速率＝電子轉(zhuǎn)移向外電路的速率＝電流離子傳輸、對(duì)極速率足夠快開路電壓外電路RIE,I實(shí)驗(yàn)控制和測(cè)量：電流，電壓，光(強(qiáng)度，波長范圍)，時(shí)間空間，物質(zhì)結(jié)構(gòu)，能級(jí)，相互作用，反應(yīng)機(jī)理再生電池整體圖像無光的暗態(tài)－比較的基礎(chǔ)對(duì)極電位E,I,半導(dǎo)體與電解質(zhì)氧化還原對(duì)聯(lián)合作用(界面電化學(xué)反應(yīng))控制假設(shè)：對(duì)電極反應(yīng)和電解質(zhì)溶液離子傳輸不是控制步驟離子傳輸、對(duì)極速率足夠快外電路RIE,I電解質(zhì)氧化還原電位電池整體圖像理想？對(duì)極電位1.光吸收捕獲：HM+DD*2.激子解離：D*D+3.注入、輸運(yùn)和收集：界面半導(dǎo)體性質(zhì)HM*4.再生：D++O/R5.半導(dǎo)體中電子與氧化態(tài)染料復(fù)合：HM*+D+6.半導(dǎo)體中電子與電解質(zhì)中氧化物的復(fù)合HM*+O/R外電路RIE,I電解質(zhì)氧化還原電位染料LUMOHOMO再生HMHM*DD*D+O/RO/Rhv注入光吸收再生復(fù)合輸運(yùn)和收集解離短路電流JSCE＝0(輸運(yùn)收集足夠快，復(fù)合足夠小)短路電流決定于：①單色光光捕獲效率LHE（l）－光捕獲，光譜、能級(jí)、結(jié)構(gòu)②激子解離效率Θ③凈電荷分離效率Φ-與染料復(fù)合④電荷收集效率ηc－輸運(yùn)、收集、復(fù)合⑤光譜響應(yīng)范圍λ1-λ2光譜、能級(jí)、結(jié)構(gòu)短路狀態(tài)電極電位？對(duì)極電位外電路R=0imaxE＝0收集=注入＋輸運(yùn)–復(fù)合短路電流的解析54短路電流密度jsc光注入電流密度jinj復(fù)合電流密度jrec5.電子與氧化態(tài)染料復(fù)合復(fù)合I6.電子與電解質(zhì)復(fù)合復(fù)合II3.染料的再生電子收集效率染料再生效率1.光吸收2.電子注入半導(dǎo)體敏化劑電解質(zhì)

（S+/S*）

（S+/S）e(Co2+/Co3+)12345

6輸出電流4.電子在薄膜中的輸運(yùn)開路電壓

i＝0

(輸運(yùn)收集足夠小，電荷在電極積累充電)開路電壓：穩(wěn)態(tài)：電荷在電極上的積累極限(類電容充電)-光電轉(zhuǎn)換只用于補(bǔ)充電荷的某種自放電流失？暫態(tài)？？(擾動(dòng)實(shí)驗(yàn))－－會(huì)得到什么信息？開路狀態(tài)電極電位？開路電壓對(duì)極電位外電路R=,i=0i＝0凈0收集=注入＋輸運(yùn)

-復(fù)合開路電壓的影響因素開路電壓Voc開路電壓的理論最大值Vmoc=Ec-EF,redox光陽極中電子濃度nt界面復(fù)合動(dòng)力學(xué)的快慢相同電子濃度下的復(fù)合電流密度相同電子濃度下的電勢(shì)變化即帶邊移動(dòng)電子態(tài)的能級(jí)分布平衡態(tài)電子濃度n0電子態(tài)分布系數(shù)α反向飽和電流j0復(fù)合反應(yīng)級(jí)數(shù)β導(dǎo)帶電位電解質(zhì)費(fèi)米能級(jí)非短路開路i

0,E0收集=注入＋輸運(yùn)-復(fù)合E,I電解質(zhì)氧化還原電位染料LUMOHOMO再生收集－－－－輸運(yùn)－－－－－－－解離電解質(zhì)氧化還原E,IE,I？研究目標(biāo)器件效率開路電壓短路電流密度填充因子界面性質(zhì)光吸收性質(zhì)以及界面電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)決定電流電壓曲線的所有電池性質(zhì)導(dǎo)帶邊位置復(fù)合動(dòng)力學(xué)器件性能器件性質(zhì)染料分子結(jié)構(gòu)電解質(zhì)組分半導(dǎo)體表面修飾染料分子電子結(jié)構(gòu)等器件設(shè)計(jì)對(duì)電極材料等器件效率是染料敏化太陽電池研究工作的終極目標(biāo)研究方法電池制備:(1)基底準(zhǔn)備：清洗、干燥(2)涂膜，多層(20nm,400nm)，干燥、燒結(jié)(3)對(duì)極制備，活化(3)浸漬染料，封裝，注液，密封研究方法(材料：核磁、質(zhì)譜、元素分析、紅外，吸收發(fā)射光譜，電鏡，XPS)(1)J-V曲線，實(shí)驗(yàn)條件，J-V-hv關(guān)系，特征Jsc,Voc,FF,,性質(zhì)特征，系列樣品比較(2)IPCE,歸一，積分，吸收發(fā)射譜，對(duì)比(3)溶液，電化學(xué)數(shù)據(jù)，峰位、對(duì)稱性(4)HOMO,LOMO(5)時(shí)間分辨光譜，注入比較(6)暫態(tài)分析，再生復(fù)合研究；E,I,h擾動(dòng)(7)飛秒光譜，過渡態(tài)、激子動(dòng)力學(xué)理論研究：?~um多尺度模型，計(jì)算光譜、能級(jí)分布、物質(zhì)分布、輸運(yùn)轉(zhuǎn)移等，關(guān)聯(lián)微觀性質(zhì)和宏觀性能IPCE光電流活動(dòng)譜，入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(monochromaticincidentphoton-to-electronconversionefficiency，IPCE)，定義為單位時(shí)間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)N與單位時(shí)間內(nèi)的入射單色光子數(shù)Np之比。跟染料吸收光譜密切相關(guān)主要用于評(píng)價(jià)器件染料的光譜光電轉(zhuǎn)換性能時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）測(cè)試熒光衰減動(dòng)力學(xué):脈沖光源激發(fā)樣品后，樣品發(fā)出熒光光子信號(hào)，每次脈沖后只記錄某特定波長單個(gè)光子出現(xiàn)的時(shí)間t。經(jīng)過多次計(jì)數(shù)，即得到熒光光子出現(xiàn)的幾率分布－－熒光衰減曲線，一般為指數(shù)衰減。研究注入熒光衰減動(dòng)力學(xué)注入過程，TiO2,Al2O3、Zr2O3激發(fā)態(tài)瞬態(tài)吸收光譜脈沖激發(fā)光將分子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，用探測(cè)光檢測(cè)激發(fā)態(tài)分子在不同時(shí)間的吸收光譜（瞬態(tài)吸收差示譜），研究激發(fā)態(tài)性質(zhì)、再生復(fù)合競(jìng)爭(zhēng)然后選用單波長探測(cè)光，在有無O/R時(shí)對(duì)比，通過衰減動(dòng)力學(xué)，研究再生超快激光瞬態(tài)光譜，可研究fs、ps級(jí)的超快過程激發(fā)態(tài)瞬態(tài)吸收光譜光電壓光電流衰減E+h恒定,h擾動(dòng)，測(cè)I～tI+h恒定,h擾動(dòng)，測(cè)E～t可研究輸運(yùn)、復(fù)合過程，獲得載流子濃度、壽命等阻抗技術(shù)電化學(xué)阻抗；IMPS；IMVSDSC的阻抗模型阻抗技術(shù)電池在不同偏壓下的阻抗譜。模型分析擬合，得到在不同偏壓下化學(xué)電容（Cμ）以及界面復(fù)合電阻（Rr）和等物理量，進(jìn)而導(dǎo)出導(dǎo)帶變化、電子濃度、反應(yīng)級(jí)數(shù)、復(fù)合速度常數(shù)等阻抗技術(shù)計(jì)算研究1計(jì)算分子結(jié)構(gòu)，光譜性質(zhì)，計(jì)算HOMO,LUMO2計(jì)算染料/半導(dǎo)體相互作用、分子吸附取向、結(jié)構(gòu)重組動(dòng)態(tài)等計(jì)算研究hν1e-c.多尺度(?~um)計(jì)算模擬全體系全過程：吸附、光吸收、激子壽命。電荷轉(zhuǎn)移等研究過程確定有效目標(biāo)(輕重主次)分析物質(zhì)、物理量、現(xiàn)象、研究技術(shù)的相互關(guān)系，預(yù)期模型數(shù)據(jù)鏈因果鏈確定研究步驟，準(zhǔn)備條件、實(shí)驗(yàn)控制、結(jié)果收集、驗(yàn)證合理、結(jié)果分析結(jié)果表達(dá)、評(píng)價(jià)，對(duì)比預(yù)期－確認(rèn)什么、反證什么、缺失什么、調(diào)整什么反饋?zhàn)鳂I(yè)1、對(duì)太陽電池，通過J~V曲線測(cè)量，可以獲得用于評(píng)價(jià)電池性能的哪些重要信息？2、簡(jiǎn)述染料敏化太陽電池的原理。3、基于你的化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)知識(shí)，談?wù)勀銓?duì)人類能源危機(jī)的看法。光電轉(zhuǎn)換光與電波的波粒二象性:1900年普朗克黑體實(shí)驗(yàn)提出量子假說E=mc2/2=h;=c/m=2h/c一份光量子的質(zhì)量(不同波長含不同的光子數(shù),紅656nm~紫410nm－10～16個(gè)光子)光子的質(zhì)量約6.8x10-38kg,靜止質(zhì)量為0~1.5×10-55kg電子的質(zhì)量約9.1x10-31kg吸收光能－>電子能級(jí)階躍電勢(shì)電荷在某點(diǎn)的電勢(shì)能，等于靜電力把它從該點(diǎn)移動(dòng)到零勢(shì)能位置(大地或真空無限遠(yuǎn))所做的功(電勢(shì)能的差)電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)能與電荷量的比值，叫做這一點(diǎn)的電勢(shì)電荷量為1C的電荷在該點(diǎn)的電勢(shì)能是1J，則該點(diǎn)的電勢(shì)(位)就是1V實(shí)用中我們關(guān)心的是變化或差值，于是電壓、電勢(shì)、電位(實(shí)用中隱含參照系參考點(diǎn),是電勢(shì)差)電容、電荷、電勢(shì)電容C=dq/dE電容(容量)是積累電荷的變化與引起的電勢(shì)變化的比值態(tài)密度分布--態(tài)密度(能態(tài)的容量)對(duì)能量能級(jí)的分布孤立原子：電子具有確定的不連續(xù)能級(jí)N個(gè)原子靠近聚集時(shí)(相互作用)，能級(jí)重疊(價(jià)電子的能級(jí)兼并－相互作用)分裂(表達(dá))成N個(gè)聚集能級(jí)(能級(jí)分裂)，產(chǎn)生能帶(價(jià)電子－>導(dǎo)帶價(jià)帶)。如果原子間距離繼續(xù)縮短，導(dǎo)帶價(jià)帶也將重疊接近連續(xù)，于是電子在外電場(chǎng)作用下幾乎可以連續(xù)的改變能量(即金屬)。而半導(dǎo)體-帶隙0.5～3eV，價(jià)帶滿導(dǎo)帶空，在熱運(yùn)動(dòng)或雜質(zhì)影響下，價(jià)帶中才會(huì)有空穴(p型)，導(dǎo)帶才會(huì)有電子(n型)，帶隙4～5eV絕緣體。不同的原子價(jià)電子不同本征TiO2帶隙3.2eV,對(duì)應(yīng)約387nm的光電化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)溶液氧化還原對(duì)：分析氧化態(tài)還原態(tài)的電離勢(shì)(真空基準(zhǔn))和溶劑化(溶液相)作用，就得到二者在能級(jí)的位置及分布(來自溶劑化程度的波動(dòng)、熱波動(dòng)等)，其位置中間就相當(dāng)于費(fèi)米能級(jí)電化學(xué)反應(yīng)：異相很復(fù)雜