【摘 要】
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本文致力于用振动光谱，第一性原理计算以及瞬态动力学测试相结合的方法研究染料敏化和钙钛矿太阳能电池中原子级界面结构和器件表现之间的联系。这种界面由有机染料分子/钙钛
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本文致力于用振动光谱，第一性原理计算以及瞬态动力学测试相结合的方法研究染料敏化和钙钛矿太阳能电池中原子级界面结构和器件表现之间的联系。这种界面由有机染料分子/钙钛矿晶体和二氧化钛(TiO2)组成。 染料敏化太阳能电池(DSSC)因为高性价比，对环境友好而满足下一代能源转换器件的要求。经过25年的发展，这种电池的光电转换效率已经超过13％，接近市场准入门槛。然而，一些问题仍未解决，限制了效率的进一步提高，如染料分子的吸附构型如何影响界面载流子传输仍然不清楚。从原子尺度研究不同界面构型对电子动力学的影响有助于人们加深对器件工作机理的认识，进一步优化DSSC的效率。 染料分子在TiO2表面的吸附构型影响了光吸收率、电子传输速率、相对能级位置以及器件长期稳定性，本文对此进行了系统的研究。我们先用振动光谱推测分子吸附基团的结构信息，再用第一性原理计算验证推测，识别了染料分子在TiO2表面不同的吸附构型。Eosin Y分子的羧基采用氢键辅助的单齿配位和双齿桥式配位吸附，而基于腈基丙烯酸吸附基团的染料分子采用双齿桥式配位和氢键、钛氮键辅助的三齿构型吸附。更重要的是我们发现改变分子吸附时的化学环境能调控这些吸附构型的相对比例，压制不利于电子传输的构型，有效地提高器件的光电转换效率。第一性原理计算和瞬态动力学的测试进一步证实了吸附构型对器件的影响。 新兴的钙钛矿太阳能电池由于更高的光电转换效率受到广泛的关注，有取代DSSC的迹象。然而在真正被应用之前，钙钛矿太阳能电池还需要解决一些问题，如TiO2氧空位诱导的器件性能衰减和电流电压回滞现象。我们用瞬态吸收光谱对这个问题进行详细的研究，发现当TiO2氧空位浓度增加时，界面电子注入变慢而复合变快。氧空位的陷阱效应及其在电场下的迁移作用导致了器件的不稳定现象。我们的结果表明应该减少界面缺陷浓度以提高器件效率和稳定性。 本文的工作建立了微观界面结构和宏观器件表现之间的联系，提供了染料敏化和钙钛矿太阳能电池领域器件效率优化的新思路。
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