染料敏化太陽能電池之父，一出手就是Nature！

一、【導讀】

染料敏化太陽能電池(DSCs)使用吸附在納米晶介孔二氧化鈦(TiO₂)薄膜表面的光敏劑以及電解質或固體電荷傳輸材料將光轉化為電。它們具有許多特性，包括透明性、多色性和低成本制造。開發具有高吸收系數和整個可見光域的寬光譜響應的敏化劑是提高染料敏化太陽能電池（DSCs）的光伏性能（PV）所必須的。然而，由于強π-π分子間相互作用，這類敏化劑傾向于聚集在TiO₂表面，導致光激發敏化劑的猝滅和PV性能的降低。目前，全色染料與TiO₂表面上的窄光譜響應染料的共敏化劑可以增加光電流和光電壓，從而實現性能更好的器件。然而，在某些情況下，共敏化策略被證明是無效的。為了進一步提高其效率，關鍵是控制染料分子在TiO₂表面上的組裝以促進電荷的產生。

二、【成果掠影】

近日，染料敏化太陽能電池之父、中科院外籍院士、瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授團隊報告了一種在TiO₂表面預吸附單層羥肟酸衍生物的方法，以改善兩種新設計的共吸附敏化劑的染料分子堆積和光伏性能，這兩種敏化劑可在整個可見光域定量收集光。在標準空氣、1.5G模擬太陽光下性能最佳的共敏化太陽能電池顯示出15.2%的功率轉換效率（PCE），并顯示出長達500小時的運行穩定性。具有2.8 cm²的更大活性面積的器件在大范圍環境光強度下表現出28.4%至30.2%的PCE以及高穩定性。本研究結果為易于獲得高性能DSC鋪平了道路，并為使用環境光作為能源的低功耗電子設備的電源和電池替換提供了廣闊的應用前景。該論文以題為“Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells”發表在知名期刊Nature上，Cao Yiming和Anders Hagfeldt為本文共同通訊作者，任埡萌博士和Zhang Dan為本文共同第一作者。

三、【核心創新點】

1、在TiO₂表面預吸附單層羥肟酸衍生物以改善兩種新設計的共吸附敏化劑的染料分子堆積和光伏性能，該敏化劑可以在整個可見光范圍內定量收集光。

2、在標準AM 1.5G模擬太陽光下，性能最佳的共敏化太陽能電池表現出15.2%的功率轉換效率（PCE），并表現出長期運行穩定性（500小時）。

3、具有2.8 cm²的較大有效面積的器件在大范圍的環境光強度下表現出28.4 %至30.2 %的PCE以及高穩定性。

四、【數據概覽】

圖一、BPHA預吸附劑的分子結構和對TiO₂表面染料組裝的影響 ? 2022 Springer Nature

（a）SL9、SL10和BPHA的分子結構。

（b）分別溶解在THF中的SL9和SL10的UV-Vis吸收光譜。

（c）著色12小時后SL9、SL10和SL9+SL10敏化納米晶介孔TiO₂膜的UV-Vis吸收光譜。

（d）著色12小時后共敏化TiO₂膜的染料負載量（Cm）。

（e-f）共敏化的TiO₂膜上每種染料的時間依賴性Cm（有/無BPHA預處理）的堆積條形圖。

（g）SL9+SL10共吸附層著色12小時后的光致發光壽命（τ_PL）。

（h）TiO₂表面上有無預吸附BPHA分子的敏化劑吸附過程示意圖。

圖二、BPHA預吸附劑對器件性能的影響 ? 2022 Springer Nature

（a）最佳性能器件的J-V特性曲線。

（b）最佳器件的入射光電轉換效率（IPCE）光譜。

（c）基于有/無BPHA預處理的SL9+SL10共敏化的DSC的功率轉換效率（PCE）分布的方框圖。

（d）基于SL9+SL10的DSC的歸一化PCE的變化。

（e-f）SL9+SL10基器件的電子注入產率（φ_ei）和電子擴散長度（L_n）的對比。

圖三、DSCs在環境照明條件下的性能 ? 2022 Springer Nature

（a）所采用的LED燈的光譜輻照度和綜合功率密度。

（b）在不同光強度下經受BPHA預處理的共敏化太陽能電池的J-V曲線。

（c）從IPCE得出的積分電流密度與J-V測量值一致，驗證了PV測量的可靠性。

（d）在LED燈提供的1000 lux的光強度下連續照射1000小時的最大功率點點下運行的DSC的歸一化PCE的演變。

五、【成果啟示】

研究表明，研究人員報道了介觀TiO₂膜上的預吸附BPHA產生了共吸附敏化劑的致密有序分子堆積，顯示出互補的光吸收，以獲得整個可見光譜，同時延長了光致發光壽命并增強了光致熒光量子產率，增強了PV性能。使用BPHA預吸附，研究人員在標準AM 1.5G太陽光下達到了超過15%的認證的PCE，同時具有較高的操作穩定性。在LED模擬的環境光下，PCE倍增至30%以上。本研究為通過預吸附控制的敏化劑的自組裝進一步提高DSC性能提供了一條有希望的途徑。

文獻鏈接：Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells ( Nature 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05460-z)