J. Am. Chem. Soc. 染料敏化太陽能電池-染料分子工程增強光捕獲效率

【引言】

經過25年的研究和發展，今天的染料敏化太陽能電池正準備向工業化生產邁進。相比于傳統液態電解液的染料電池來說，固態電池的發展潛力更大。1998年最早的空穴傳輸材料替代電解液被使用（spiro-OMeTAD），但是這種材料不能充分滲透到TiO₂層中（厚度只有2-5um），所以，為獲得更高效率，染料必須具備高消光系數和寬吸收范圍的特點。有機染料相比于傳統的釕基染料，消光系數高、價格便宜，結構靈活性為調控染料性質提供更多空間。例如，對有機染料進行分子級別的修飾，可有效的阻止不必要的復合過程，從而提高其器件的光電轉換效率。

【成果簡介】

近日，華東理工大學花建麗課題組等報道了利用苯并噻二唑（BTZ）分子修飾D-A-π-A結構的方法設計了三種有機染料，研究結構發現XY1和XY2有高的消光系數，XY3的吸收范圍可擴展到近紅外。在TiO₂膜只有1.3um的情況下獲得了D-A-π-A敏化劑太陽能電池中的最高效率(7.51%)。

【圖文導讀】

?圖1：染料XY1、XY2、XY3和Y123的分子結構

圖1是四種染料的分子結構。XY1增加了一個環戊二噻吩（CPDT）基團，XY2是在XY1的基礎上在共軛鏈上添加一個雜環噻吩（BTZ）單元。通過調整BTZ和CPDT的位置獲得XY3。Y123作為參考染料。

圖2：各染料的吸收曲線

染料XY1（紅線）、XY2（藍線）、XY3（綠線）和Y123（黑線）的吸收曲線

圖2 是四種染料的吸收曲線。從結果可以看出，相比于Y123，XY1和XY2不僅吸光范圍略有紅移，而且吸收強度增加明顯，說明這兩種染料的消光系數是增大的。通過計算發現，XY2在最大吸收值得578nm時的消光系數高達6.66x10^4M^-1cm^-1。XY3的吸收邊已擴展到了近紅外，與XY2相比，紅移了40nm，但是該染料的消光系數只有2.62 x10^4M^-1cm^-1。XY1、XY2和Y123的HOMO能級不變，XY3的HOMO能級則向上偏移了0.75V。

圖3：電池的形貌表征

（a）以XY2為敏化劑吸附在3um TiO₂膜的太陽能電池照片，是以XY2為敏化劑的電池圖片，呈現半透明的微紅色。

（b）及器件的截面掃描電鏡圖片。圖是電池截面圖，從圖中看出空穴傳輸材料完全滲透到了TiO₂層中，并在TiO₂和Au對電極形成100nm的阻擋層。

為更好的研究這些染料對電池性能的影響，TiO₂層/染料/空穴傳輸層/Au結構的電池器件組裝并測試。

圖4：太陽能電池的電流-電壓曲線和暗電流曲線

（a）染料敏化太陽能電池的電流-電壓曲線和暗電流曲線，敏化劑分別是XY1（紅線）、XY2（藍線）、XY3（綠線）和Y123（黑線）。

（b）相應的單色光轉換效率（IPCE）曲線。

不同染料電池的光電性能測試以及對應的單色光轉換效率測試（IPCE）如圖4。以XY1和XY2作為敏化劑的電池因為高的消光系數，其光電轉換效率明顯高于Y123，XY3的短路電流高達10.6mAcm^-2，但是開路電壓較XY1和XY2低了近100mV。最后，XY1、XY2效率分別為6.89%、6.69% ，明顯高于Y123的（5.77%），XY3的效率只有5.50%，因為其LOMO能級和空穴傳輸材料的能級非常接近，導致了復合增加，染料再生的能力降低。從IPCE結果看出，XY1和XY2分別在560nm（71%）和580nm（70%）達到了最高單色光轉換效率。XY3出現了兩個峰，和吸收曲線一致，但是最高的單色光轉換效率為60%。其對應的積分電流和測試電流趨勢是相吻合的。

圖5：以效率最高的XY2染料為例進行了光強不同的測試

（a）以XY2為敏化劑的太陽能電池在不同光強下的電流-電壓曲線（實線：1個太陽光，虛線：0.5個太陽光，虛線-點：0.1個太陽光，點：黑暗條件）。

（b）電流在不同光強的動態變化（實線：測量數據，點：一個太陽光下的統計數據）。

圖5 是以效率最高的XY2染料為例進行了光強不同的測試。三種不同強度的光照下，電池的效率依舊維持在7%以上。(b)圖是不同光強下電流的變化趨勢。可以發現電流和光強呈一定的線性關系，說明光生載流子被有效的傳輸出去。

圖6：對不同敏化劑的太陽能電池的性能表征

不同敏化劑的太陽能電池的（a）電壓（b）電子壽命（c）電子傳輸時間測試，XY1（紅線）、XY2（藍線）、XY3（綠線）和Y123（黑線）。

為更好的探究染料分子的結構和電池性能的關系，又進行了激子提取和瞬態光電的分析。圖6（a）說明XY1和XY2作為敏化劑，其對應TiO₂的費米能級相比于Y123向上提升了，XY3沒有變化，這和電壓變化趨勢是一致的。XY1和XY2的電子壽命（b圖）分別比Y123低了3和2倍。XY3的電子壽命比Y123低了近10倍，說明其電子的復合程度要比Y123、XY1和XY2更快。通過（c）圖發現XY1和XY2的電子傳輸時間要比Y123和XY3的更長，說明電子的復合幾率比Y123和XY3更小，從而獲得了更高的光電轉換效率。

【展望】

這項研究通過分子工程技術對染料進行分子修飾可獲得了高消光系數、寬吸收范圍的染料，為固態染料太陽能電池商業化應用提供了更多的可能。

文獻鏈接：Molecular Engineering of Potent Sensitizers for Very Efficient Light Harvesting in Thin-Film Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells ?(J. Am. Chem. Soc., 2016, 10.1021/jacs.6b05281)

該文獻解讀由材料人新能源學習小組 水牛牛 供稿，點我加入編輯部。

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