洛桑聯邦理工Gr?tzel教授團隊Joule: 可實現高效分子光伏的直接接觸型電荷選擇性提取層

【引言】

染料敏化太陽能電池因原材料豐富、制造成本低和工藝技術相對簡單而受到極大關注。1991年由洛桑聯邦理工學院(EPFL)的Michael Gr?tzel教授首次發明的染料敏化太陽能電池在模擬太陽光(AM1.5G, 83 W m^-2)下便獲得了7.9%的光電轉換效率。目前，已報道的染料敏化太陽能電池的效率為14.3%，和面積為1 cm²的試樣上的認證效率已經達到11.9%，以及在人造室內光(Osram 930 暖白色熒光燈管)照射下電池的效率已突破28.9%。傳統的染料敏化太陽電池主要由導電基底(FTO)、對電極(Pt)、多孔半導體薄膜(TiO₂)、氧化還原電解質和染料敏化劑組成。其結構是用阻擋層(10-30 μm) 將介孔二氧化鈦(TiO₂)薄膜與催化對電極分開避免電極間電分流漏電。這種結構的染料敏化太陽能電池不僅需要染料激發態可以在介孔TiO₂薄膜實現傳輸，還需要其可以在電解質或阻擋層中實現傳輸。然而由于染料激發態的壽命很短，就很容易造成激子的復合而減少載流子的收集。盡管報道的染料敏化太陽能電池效率逐漸得到提高，但是在對這個問題的改進上鮮有報道。

【成果簡介】

近日，洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授(通訊作者)團隊提出了一種基于由n型無機半導體介孔TiO₂和p型有機半導體PEDOT直接接觸構成II型結概念的新型結構染料敏化太陽能電池。這種避免電極間電分流無阻擋層的染料敏化太陽能電池是通過機械地將兩塊電極壓制而成，其實現了染料激發態可以只在介孔二氧化鈦薄膜而不需要在電解質或阻擋層傳輸下高效的太陽能電池。以介孔二氧化鈦, XY1b/Y123作為共敏化劑和Cu(II)/Cu(I)基的氧化還原電解質的新型結構染料敏化太陽能電池，在標準的AM1.5G, 100 mW cm^-2光照下獲得了13.1%的光電轉換效率，同時在1000 lux 強度下的環境室內光線照射下獲得了創紀錄的32％光電轉換效率。相關研究成果以“Direct Contact of Selective Charge Extraction Layers Enables High-Efficiency Molecular Photovoltaics”為題發表在Joule上。

【圖文導讀】

圖1. 新型染料敏化太陽能電池結構的示意圖

(A) 傳統(左)和新型(右)染料敏化太陽能電池的結構的示意圖；

(B) ?n型二氧化鈦與p型半導體能帶邊緣的II型結示意圖；

(C) ?基于機械擠壓的電極直接接觸的新型染料敏化太陽能電池示意圖；

(D ?氧化還原對僅通過介孔TiO₂薄膜擴散的新型染料敏化太陽能電池。

圖2. 新型染料敏化太陽能電池的性能

(A) TiO₂, PEDOT和Au的能級圖；

(B) 敏化劑和電解質的分子結構；

(C) 基于n型TiO₂與p型PEDOT接觸，TiO₂與Au直接接觸，和分開的TiO₂與PEDOT電極的染料敏化太陽能電池的J-V曲線；

(D) 電池的阻抗圖譜；

(E) 基于Y123， XY1b/Y123敏化劑的電池的J-V曲線；

(F) 基于Y123， XY1b/Y123敏化劑的電池的IPCE和積分電流。

圖3. 太陽電池在人造室內光源下的高效能量轉換

(A) 光敏面積為2.80和20.25 cm²的太陽電池照片；

(B) 發射功率密度圖譜與吸收圖譜。黑色實曲線是Osram 930 暖白色熒光燈管的發射功率密度圖譜；黑色虛曲線是整合功率密度；紅色實曲線是介孔二氧化鈦, XY1b/Y123作為共敏化劑薄膜的紫外可見吸收圖；

(C) 不同強度室內光照射下，光敏面積為2.80 cm²的電池的I-V曲線；

(D) 不同強度室內光照射下，光敏面積為20.25 cm²的電池的I-V曲線。

【小結】

研究人員成功研制出了一種基于由n型無機半導體介孔TiO₂和p型有機半導體PEDOT直接接觸的新型結構染料敏化太陽能電池。該新型的染料敏化太陽能電池在全太陽光照下獲得了13.1%的光電轉換效率，在人造室內光源照射下達到創紀錄的32％的光電轉換效率。該研究提出了一種新型結構的染料敏化太陽能電池，避免了傳統敏化太陽能電池因阻擋層的存在而導致的激子復合，有效提高了染料敏化太陽能電池的光電轉換效率。

文獻鏈接： Direct Contact of Selective Charge Extraction Layers Enables High-Efficiency Molecular Photovoltaics (Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.017)

本文由材料人編輯部新人組xuwz編輯，張杰審核，點我加入材料人編輯部。

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