洛桑联邦理工Grätzel教授团队Joule: 可实现高效分子光伏的直接接触型电荷选择性提取层

【引言】

染料敏化太阳能电池因原材料丰富、制造成本低和工艺技术相对简单而受到极大关注。1991年由洛桑联邦理工学院(EPFL)的Michael Grätzel教授首次发明的染料敏化太阳能电池在模拟太阳光(AM1.5G, 83 W m^-2)下便获得了7.9%的光电转换效率。目前，已报道的染料敏化太阳能电池的效率为14.3%，和面积为1 cm²的试样上的认证效率已经达到11.9%，以及在人造室内光(Osram 930 暖白色荧光灯管)照射下电池的效率已突破28.9%。传统的染料敏化太阳电池主要由导电基底(FTO)、对电极(Pt)、多孔半导体薄膜(TiO₂)、氧化还原电解质和染料敏化剂组成。其结构是用阻挡层(10-30 μm) 将介孔二氧化钛(TiO₂)薄膜与催化对电极分开避免电极间电分流漏电。这种结构的染料敏化太阳能电池不仅需要染料激发态可以在介孔TiO₂薄膜实现传输，还需要其可以在电解质或阻挡层中实现传输。然而由于染料激发态的寿命很短，就很容易造成激子的复合而减少载流子的收集。尽管报道的染料敏化太阳能电池效率逐渐得到提高，但是在对这个问题的改进上鲜有报道。

【成果简介】

近日，洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授(通讯作者)团队提出了一种基于由n型无机半导体介孔TiO₂和p型有机半导体PEDOT直接接触构成II型结概念的新型结构染料敏化太阳能电池。这种避免电极间电分流无阻挡层的染料敏化太阳能电池是通过机械地将两块电极压制而成，其实现了染料激发态可以只在介孔二氧化钛薄膜而不需要在电解质或阻挡层传输下高效的太阳能电池。以介孔二氧化钛, XY1b/Y123作为共敏化剂和Cu(II)/Cu(I)基的氧化还原电解质的新型结构染料敏化太阳能电池，在标准的AM1.5G, 100 mW cm^-2光照下获得了13.1%的光电转换效率，同时在1000 lux 强度下的环境室内光线照射下获得了创纪录的32％光电转换效率。相关研究成果以“Direct Contact of Selective Charge Extraction Layers Enables High-Efficiency Molecular Photovoltaics”为题发表在Joule上。

【图文导读】

图1. 新型染料敏化太阳能电池结构的示意图

(A) 传统(左)和新型(右)染料敏化太阳能电池的结构的示意图；

(B)  n型二氧化钛与p型半导体能带边缘的II型结示意图；

(C)  基于机械挤压的电极直接接触的新型染料敏化太阳能电池示意图；

(D  氧化还原对仅通过介孔TiO₂薄膜扩散的新型染料敏化太阳能电池。

图2. 新型染料敏化太阳能电池的性能

(A) TiO₂, PEDOT和Au的能级图；

(B) 敏化剂和电解质的分子结构；

(C) 基于n型TiO₂与p型PEDOT接触，TiO₂与Au直接接触，和分开的TiO₂与PEDOT电极的染料敏化太阳能电池的J-V曲线；

(D) 电池的阻抗图谱；

(E) 基于Y123， XY1b/Y123敏化剂的电池的J-V曲线；

(F) 基于Y123， XY1b/Y123敏化剂的电池的IPCE和积分电流。

图3. 太阳电池在人造室内光源下的高效能量转换

(A) 光敏面积为2.80和20.25 cm²的太阳电池照片；

(B) 发射功率密度图谱与吸收图谱。黑色实曲线是Osram 930 暖白色荧光灯管的发射功率密度图谱；黑色虚曲线是整合功率密度；红色实曲线是介孔二氧化钛, XY1b/Y123作为共敏化剂薄膜的紫外可见吸收图；

(C) 不同强度室内光照射下，光敏面积为2.80 cm²的电池的I-V曲线；

(D) 不同强度室内光照射下，光敏面积为20.25 cm²的电池的I-V曲线。

【小结】

研究人员成功研制出了一种基于由n型无机半导体介孔TiO₂和p型有机半导体PEDOT直接接触的新型结构染料敏化太阳能电池。该新型的染料敏化太阳能电池在全太阳光照下获得了13.1%的光电转换效率，在人造室内光源照射下达到创纪录的32％的光电转换效率。该研究提出了一种新型结构的染料敏化太阳能电池，避免了传统敏化太阳能电池因阻挡层的存在而导致的激子复合，有效提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。

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

本文由材料人编辑部新人组xuwz编辑，张杰审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试、数据分析，上测试谷!