II. 染料敏化太阳能电池
一、染料敏化电池半导体氧化物纳米结构设计与制备
主要研究内容：
1、设计一维纳米半导体氧化物阵列达到光电子有效传输
2、设计多级纳米结构半导体氧化物实现光管理
代表性成果：
“森林状”TiO2多级纳米结构的形成机理和有利于电子传输示意图（J Mater Chem 2012, 22, 6824）
花瓣状微球氧化钛充当光散射层的原理示意图与显微结构（ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 2148）
针对染料敏化太阳能电池的效率提升等问题，通过纳米结构的微观结构设计和形貌调控，探索发展了基于阵列型一维纳米结构的染料敏化型太阳能电池和氧化物半导体液结太阳能电池等新型太阳能电池，并研究了其中载流子的产生、分离、迁移及复合机理。利用湿化学法成功生长了锐钛矿相TiO2纳米线阵列，以此一维纳米结构为基础，还制备了锐钛矿相TiO2纳米线阵列层/花瓣状微球层双层结构和“森林状”TiO2纳米棒/纳米线阵列多级纳米结构，并以这些特殊设计的纳米结构为光阳极，构筑了染料敏化型太阳能电池。这种阵列型一维纳米结构，特别是“森林状”TiO2纳米棒/纳米线阵列多级纳米结构可以有效促进电子在光阳极的传输，减少电子的复合，提高染料敏化型太阳能电池的光电转换效率。锐钛矿相TiO2纳米线阵列层/花瓣状微球层双层结构中的花瓣状微球具有亚微米的尺度，能有效散射入射光，增大光利用率，提高太阳能电池的光电转换效率。
二、染料敏化太阳能电池关键材料宏量制备技术
主要研究内容：
1、高性能低成本纳米氧化钛浆料宏量制备技术
2、高纯敏化染料宏量制备与提纯技术
代表性成果：
1、高性能低成本纳米氧化钛浆料宏量制备技术
氧化钛浆料及性能
TiO2电极在染料敏化太阳能电池的电荷提取和电荷传输方面具有关键作用。TiO2层的特性影响着染料敏化太阳能电池的效率。自2006年以来，课题组一直致力于提高氧化钛浆料的性能，降低生产成本，最终实现了大规模工业化生产。课题组制备的Ti-Nanoxide浆料可用于制造光电极，并且完全适用于丝网印刷工艺。
2、高纯敏化染料宏量制备与提纯技术
N719 Z907 Z991 TG6 C106
敏化染料及提纯方法
课题组从2007年开始研究钌基染料的合成和低成本规模化提纯工艺，目前课题组能够将敏化染料的生产规模扩大到上百公斤的规模。课题组重点研究了染料的各种提纯工艺，发展了低成本批量化提纯获得高纯度敏化染料的方法。
三、染料敏化太阳能电池及组件工程化研究
主要研究内容：
1、染料敏化电池模块制备工艺研究
2、户外稳定性研究
3、自动化生产线研制
4、染料敏化电池分布式发电示范展示工程
5、弱光下高效率染料敏化太阳能电池研究
代表性成果：
1、通过模块制备工艺优化来提升电池性能
钛异丙醇溶液处理FTO基底的形貌（Solar Energy 2018, 176, 320）
掺氟氧化锡基底（FTO）和介孔TiO2之间的界面对染料敏化太阳能电池（DSCs）的效率（PCE）起着关键作用。采用TiCl4预处理可以有效提高FTO的电子收集能力。然而，为了将这种预处理引入DSCs的工业化规模生产，必须避免污染问题。课题组探索了一种环保、高效的FTO预处理方法，即基于钛异丙醇的溶液，以取代DSCs制造中的TiCl4溶液预处理。基于FTO的钛异丙醇溶液的方法为扩大DSCs的生产规模提供了一种有效且环保的工艺。
光管理提升大面积染料敏化太阳能电池效率（Mater Res Bull 2018, 100, 434）
为了减少光活性染料的使用并改善染料敏化太阳能电池光阳极的光收集，课题组引入了TiO2光散射层。课题组研究了含有散射层的大面积染料敏化太阳能电池（活性面积为100.6平方厘米）的光散射效应。结果表明，对于相同厚度的TiO2光阳极的光收集特性，光散射效应比染料吸附能力更重要，而且光散射效应增强了太阳光谱中红光部分的光吸收。经过优化染料吸附层和光散射层，获得了7.52%的高效率，比没有光散射层的电池效率（6.87%）高出9.5%。
对电极的几何形状对大面积染料敏化太阳能电池效率的影响（J. Photochem. Photobiol. A Chem. 2018, 357, 85）
为了给大面积染料敏化太阳能电池（DSSCs）设计合理的对电极，课题组研究了对电极几何形状对DSSCs转换效率的影响。填充因子和并联电阻随着有效面积的增加而减小，导致大面积DSSCs的效率相对较低。如果在保持电极几何形状不变的情况下，将对电极的FTO衬底替换为金属衬底，则效率更低，这表明Ag栅不能像帮助光阳极收集电子那样有效地将电子注入对电极。相同长度和不同宽度的DSSCs的效率的变化表明，从宽度而不是长度上减少活性面积可以提升效率，这与欧姆接触的距离成正比，并提出了一个与串联电阻（Rs）有关的参考值，DSSCs的转化效率受到理论Rs和测量得到的Rs之间的偏差的影响。
2、用于光伏建筑一体化的染料敏化太阳能电池的户外老化表征和分析
染料敏化太阳能电池户外运行性能分析（Solar Energy 2018,165, 233）
为了阐明染料敏化太阳能电池（DSSCs）在光伏建筑一体化（BIPV）应用中的可行性，课题组测试了用两种不同的染料制备的DSSCs的性能。使用Z991染料的DSSCs在头两年比使用Z907染料的DSSCs每年多产生约15%的电力，之后差距扩大，因为Z991染料的稳定性更好。使用Z991染料的DSSC的效率在头两年下降了17%，然后变得稳定，而使用Z907染料的DSSC户外测试4年后就不能使用了。对于BIPV的使用，Pmax随着太阳辐照度Pi的增强而增加，并在中午12点左右达到最高值，而效率在8点到16点随着太阳的移动几乎没有变化。DSSC的输出并不随辐照度线性增加，特别是在辐照度低于20Wh的情况下，这意味着在AM1.5G条件下测量的效率并不是评估DSSC性能的一个关键指标。DSSC的全年总发电量略高于相同装机容量的晶硅电池，并且DSSC在5月至8月温度较高时产生的电力较晶硅电池多出15-20%。这些结果显示了染料敏化太阳能电池在户外BIPV中的应用潜力，特别是在炎热和潮湿的气候中，尽管要达到与晶硅电池相同的装机容量，染料敏化太阳能电池需要更大的面积。
3、研制并建成了兆瓦级染料敏化太阳能电池自动化生产线
课题组通过多年技术攻关，突破了染料敏化太阳能电池关键材料的批量制备技术，完成所有原材料的国产化，电池成本大幅降低。2013年，课题组开始建设全面质量管理体系，形成全套工艺技术文件。在此基础上，于2014年建成了兆瓦级染料敏化太阳能电池中试生产线。在电池批量制备过程中，完成质量文件升级，并严格按照质量文件的要求，同时设置多个质量控制点，严格管控，实现电池在线测试分拣，成品率得到了有效的保障。
4、城市建筑绿色能源示范展示工程
百千瓦级染料敏化太阳能电池幕墙示范工程
课题组在突破染料敏化太阳能电池关键技术基础上，以上海硅酸盐所嘉定新园区建设为契机，依托硅酸盐所在发电、储能和节能等方面的技术优势和产业化成果，完成了城市建筑绿色能源示范展示工程的建设任务，实现了相关技术从概念、材料、模组、部件、系统到应用示范的跨越。 2016年底，染料敏化太阳能电池幕墙建筑一体化应用示范工程建设完成。该示范工程染料敏化太阳能电池装机容量为100.68kW。示范工程突破了多种新能源发电与储能技术的技术集成，设计了分布式电源、信息系统与负荷及储能设备耦合的智能微电网能源管理平台。示范项目的建设，大大推进了单项技术的研发及产业化进程。
5、染料敏化太阳能电池研究的室内光环境下应用产品开发
染料敏化太阳能电池光能花灯
染料敏化太阳能电池充电器和光驱动桌面摆件
染料敏化太阳能电池可充电会议桌
染料敏化太阳能电池室内应用 （“可移动充电桩”产品获2015年深圳高交会“优秀产品奖”）
染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells，DSSCs）作为新型太阳能电池技术之一，在城市绿色建筑和室内微电源等相关领域显示出较传统太阳能电池技术不可替代的优越性。染料敏化太阳能电池室内光下转换效率可达32%，和非晶硅太阳能电池和有机太阳能电池相比，染料敏化电池的室内应用更具优势。随着物联网技术的兴起和超低功耗芯片技术的推广，不依赖电网的微电源技术应用越来越广，特别是基于光能电池的微电源，在使用周期内无需更换且免维护，因而具有巨大的发展潜力。染料敏化电池具有优异的弱光发电性能，因此在微电源供电方面更具产业化优势。课题组开发了多种适于室内场景应用的染料敏化太阳能电池产品，比如，可移动充电桩、可充电会议桌、光驱动桌面摆件、光能充电宝、光能花灯，等等。
该部分研究成果获2020年首届中国电子信息行业创新创业大赛总决赛三等奖。
沪公网安备 31010502006565号
