Chem. Rev.：染料敏化太陽能電池中的共敏化應用

【研究背景】

隨著能源危機的日益嚴重，開發高效，環境友好，節能的電池材料迫在眉睫。染料敏化太陽能電池(英文簡寫為DSCs)是由Gr?tzel和O’Regan發展的第三代光伏電池，它具有較低的成本、制備簡單、可調變的光電性質、自然透明性、良好的光伏輸出和更高的光電轉換效率(PCE)其使其在太陽能窗戶和室內設計的能源可持續發展的應用。共敏化已經成為一種提高DSCs效率的方法，最著名的作用是推動DSCs的功率轉換效率達到世界紀錄值。共敏化是一種化學制備方法，該方法制備的DSCs工作電極含有兩種或兩種以上具有互補光學吸收特性的不同染料。考慮到染料組合使用了所有可用的陽光，因此能夠提供模擬太陽發射光譜的全色吸收光譜的染料組合是理想的。

【成果簡介】

近期，劍橋大學Jacqueline M. Cole教授分別綜述了DSCs的特點、染料共敏化技術、共敏化分析的表征方法，最后將現有的共敏化作用分為七種不同的方式，即染料被結合以產生全色DSCs，并提出了七種共敏化的同源分子工程策略，使光吸收達到最佳的DSCs器件功能。最后討論如何使用實驗和計算技術來預測，分析和改進共敏化染料太陽能電池，以推進其社會使用需求。該成果近日以題為“Cosensitization in Dye-Sensitized Solar Cells”發表在頂尖綜述Chem. Rev.上。

【圖文導讀】

圖一：DSCs的工作原理

DSC包括四個關鍵器件組件：化學染料，工作電極，對電極和電解質。

圖二：共敏化DSCs

雙染料共敏化DSCs示意圖。

圖三：共敏化材料的光學性質

DSCs目前仍面臨的核心問題之一是它們僅僅部分地吸收了太陽光譜。 當太陽能發射光譜不能被源自半導體表面用單一染料敏化的光學吸收完全覆蓋時，一種可行的解決方案是使用一種以上具有不同吸收光譜的染料進行共敏化以實現全色吸收。

圖四：共敏化DSCs的能級圖

能級圖顯示了共敏化DSCs的四個關鍵器件組件之間的特征關系。

圖五：DSCs的工作電極的吸附過程

染料···TiO2界面結構的性質影響DSC工作電極的功能，該工作電極緊鄰器件環境中的電解質（EL）離子介質。

圖六：共敏化過程的混合方法

TiO2基底的順序（頂部）和雞尾酒混合（底部）共敏化。

圖七：超快共敏化DSCs

超快速的共敏化（大約幾分鐘）可能會超過傳統的（大約幾小時）共敏化，因為它可以提高單個和共敏化樣品的DSC效率。

圖八：近全色吸收的釕基染料

輔助染料（藍色虛線）的吸收光譜如何補充基礎染料（黑色實線）的近紅外吸收的示意圖。

圖九：釕基染料的種類

常用釕基染料的化學結構式。

圖十：可與釕基染料共敏化的染料

可與釕基染料共敏化的染料的化學結構式。

圖十一：卟啉基染料

卟啉基染料也是一種很好的近全色吸收染料。

圖十二：將染料吸收擴展至近紅外區的共敏劑

輔助染料（藍色虛線）的吸收光譜可以補充擴展主要染料（黑色實線）的近紅外吸收的示意圖。

圖十三：擴展近紅外區的共敏劑

可將光學吸收擴展到NIR區域的共敏劑的化學結構。

圖十四：具有可調光學吸收帶的共敏劑

在尋找補充近染色原色染料的增感劑時（參見第5.1節），非常需要能夠調節以吸收特定波長的光的母體染料。花青和聚噻吩的可調性是通過分別延長π-共軛聚甲炔或噻吩鏈的長度來實現的，這引起吸收光譜的漸進紅移。

圖十五：具有可調光學吸收帶的共敏劑的化學結構式

圖十六： “分子樂高”共敏劑

“分子樂高”方法的示意圖。

圖十七：“分子樂高”共敏劑化學結構式

通過以“分子樂高”方式組合化學片段而設計的共敏劑的化學結構。

圖十八：天然共敏劑

已開發出許多含有天然染料的DSC，這些天然染料試圖模擬天然光合系統。然而，到目前為止，沒有人超過5％的PCE。

圖十九：常見的色素分子的化學結構

圖二十：共敏化DSCs的植物提取物

卟啉，葉綠素，類黃酮，類胡蘿卜素，甜菜堿和蒽醌及其衍生物。

圖二十一：比例控制的共敏化

兩種吸收相當的染料相互補充以實現近色吸收的示意圖。

圖二十二：比例控制的共敏化的染料分子

比例控制的共敏化的染料分子及結構式。

圖二十三：具有窄帶光學吸收峰的混合共敏劑

兩種以上吸收相當的窄光學吸收帶染料相互補充以實現近全色吸收的示意圖。

圖二十四：多種混合共敏劑的分子結構

具有窄帶光學吸收峰的混合共敏劑染料分子及結構式。

【小結】

本綜述首次對所有報道的DSCs共增敏形式進行了綜合評價。共敏化已成為一種被廣泛接受和有前途的方法，以調整功能和性能的DSCs。為此，作者在光學吸收的基礎上對染料組合進行分類，以便區分實現全色共敏化太陽能電池的有用策略，并有助于更好地理解合理的分子設計概念如何應用于共敏化。本綜述可以幫助研究者對大量化學染料的光伏功能進行適當的比較，并以此為基礎，為共敏化太陽能電池的應用開發新的結構-功能關系，特別是那些旨在實現全色吸收的應用。共敏化提供了一個有前途的途徑，以具體地定制功能和性能的DSCs，以滿足不同的業務需求和應用。在這篇綜述中，作者(i)基于一種獨特的光學吸收分類方案，為進一步研究確定了有前景的共增敏策略；(ii)為每個報告的共增敏提供相對值和絕對值，以便更好地比較研究；(iii)討論如何使用實驗和計算技術來預測、分析和改進co-DSCs。為太陽能電池領域提供這一綜合資源將有助于塑造未來共敏化研究的方向，使DSCs技術能夠更有效地適應社會需求。

文獻鏈接：Cosensitization in Dye-Sensitized Solar Cells (Chem. Rev., 2019, DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00632)

本文由材料人新能源組大兵哥供稿，材料牛整理編輯。

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