染料敏化太阳能电池之父，一出手就是Nature！

赛恩斯 2年前 (2022-10-29) 5018浏览

一、【导读】

染料敏化太阳能电池(DSCs)使用吸附在纳米晶介孔二氧化钛(TiO2)薄膜表面的光敏剂以及电解质或固体电荷传输材料将光转化为电。它们具有许多特性，包括透明性、多色性和低成本制造。开发具有高吸收系数和整个可见光域的宽光谱响应的敏化剂是提高染料敏化太阳能电池（DSCs）的光伏性能（PV）所必须的。然而，由于强π-π分子间相互作用，这类敏化剂倾向于聚集在TiO2表面，导致光激发敏化剂的猝灭和PV性能的降低。目前，全色染料与TiO2表面上的窄光谱响应染料的共敏化剂可以增加光电流和光电压，从而实现性能更好的器件。然而，在某些情况下，共敏化策略被证明是无效的。为了进一步提高其效率，关键是控制染料分子在TiO2表面上的组装以促进电荷的产生。

二、【成果掠影】

近日，染料敏化太阳能电池之父、中科院外籍院士、瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授团队报告了一种在TiO2表面预吸附单层羟肟酸衍生物的方法，以改善两种新设计的共吸附敏化剂的染料分子堆积和光伏性能，这两种敏化剂可在整个可见光域定量收集光。在标准空气、1.5G模拟太阳光下性能最佳的共敏化太阳能电池显示出15.2%的功率转换效率（PCE），并显示出长达500小时的运行稳定性。具有2.8 cm2的更大活性面积的器件在大范围环境光强度下表现出28.4%至30.2%的PCE以及高稳定性。本研究结果为易于获得高性能DSC铺平了道路，并为使用环境光作为能源的低功耗电子设备的电源和电池替换提供了广阔的应用前景。该论文以题为“Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells”发表在知名期刊Nature上，Cao Yiming和Anders Hagfeldt为本文共同通讯作者，任垭萌博士和Zhang Dan为本文共同第一作者。

三、【核心创新点】

1、在TiO2表面预吸附单层羟肟酸衍生物以改善两种新设计的共吸附敏化剂的染料分子堆积和光伏性能，该敏化剂可以在整个可见光范围内定量收集光。

2、在标准AM 1.5G模拟太阳光下，性能最佳的共敏化太阳能电池表现出15.2%的功率转换效率（PCE），并表现出长期运行稳定性（500小时）。

3、具有2.8 cm2的较大有效面积的器件在大范围的环境光强度下表现出28.4 %至30.2 %的PCE以及高稳定性。

四、【数据概览】

图一、BPHA预吸附剂的分子结构和对TiO2表面染料组装的影响 © 2022 Springer Nature

（a）SL9、SL10和BPHA的分子结构。

（b）分别溶解在THF中的SL9和SL10的UV-Vis吸收光谱。

（c）着色12小时后SL9、SL10和SL9+SL10敏化纳米晶介孔TiO2膜的UV-Vis吸收光谱。

（d）着色12小时后共敏化TiO2膜的染料负载量（Cm）。

（e-f）共敏化的TiO2膜上每种染料的时间依赖性Cm（有/无BPHA预处理）的堆积条形图。

（g）SL9+SL10共吸附层着色12小时后的光致发光寿命（τPL）。

（h）TiO2表面上有无预吸附BPHA分子的敏化剂吸附过程示意图。

图二、BPHA预吸附剂对器件性能的影响 © 2022 Springer Nature

（a）最佳性能器件的J-V特性曲线。

（b）最佳器件的入射光电转换效率（IPCE）光谱。

（c）基于有/无BPHA预处理的SL9+SL10共敏化的DSC的功率转换效率（PCE）分布的方框图。

（d）基于SL9+SL10的DSC的归一化PCE的变化。

（e-f）SL9+SL10基器件的电子注入产率（φei）和电子扩散长度（Ln）的对比。

图三、DSCs在环境照明条件下的性能 © 2022 Springer Nature

（a）所采用的LED灯的光谱辐照度和综合功率密度。

（b）在不同光强度下经受BPHA预处理的共敏化太阳能电池的J-V曲线。

（c）从IPCE得出的积分电流密度与J-V测量值一致，验证了PV测量的可靠性。

（d）在LED灯提供的1000 lux的光强度下连续照射1000小时的最大功率点点下运行的DSC的归一化PCE的演变。

五、【成果启示】

研究表明，研究人员报道了介观TiO2膜上的预吸附BPHA产生了共吸附敏化剂的致密有序分子堆积，显示出互补的光吸收，以获得整个可见光谱，同时延长了光致发光寿命并增强了光致荧光量子产率，增强了PV性能。使用BPHA预吸附，研究人员在标准AM 1.5G太阳光下达到了超过15%的认证的PCE，同时具有较高的操作稳定性。在LED模拟的环境光下，PCE倍增至30%以上。本研究为通过预吸附控制的敏化剂的自组装进一步提高DSC性能提供了一条有希望的途径。

文献链接：Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells ( Nature 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05460-z)

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