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染料敏化太陽能電池(DSCs)，利用吸附在納米晶介孔二氧化鈦(TiO₂)薄膜表面的光敏劑，連同電解質(zhì)或固體電荷傳輸材料，將光轉(zhuǎn)換為電能。它們具有許多特點(diǎn)，包括透明、多色和低成本制造，并被部署在玻璃立面、天窗和溫室等位置。近年來敏化劑、氧化還原介質(zhì)和器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展提高了DSCs的性能，特別是在環(huán)境光條件下。

為了進(jìn)一步提高其效率，關(guān)鍵是控制TiO₂表面染料分子的組裝，而這有利于電荷的產(chǎn)生。

在此，來自瑞典烏普薩納大學(xué)的Anders Hagfeldt & 瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Yiming Cao & Michael Gr?tzel等研究者報(bào)道了在TiO₂表面預(yù)吸附一層羥肟酸衍生物的路線，以改善兩種新設(shè)計(jì)的共吸附增敏劑的染料分子填料和光伏性能，這種增敏劑可以在整個(gè)可見區(qū)域定量地收集光。相關(guān)論文以題為“Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells”于2022年10月26日發(fā)表在Nature上。

為了提高染料敏化太陽能電池(DSCs)的光伏性能，需要開發(fā)具有高吸收系數(shù)和橫跨整個(gè)可見域的廣譜響應(yīng)的敏化劑。然而，由于分子間強(qiáng)烈的π-π相互作用，這種類型的敏化劑傾向于在二氧化鈦(TiO₂)表面聚合，導(dǎo)致光激發(fā)敏化劑的猝滅和PV性能的惡化。目前，全色染料的增敏劑與TiO₂表面的窄光譜響應(yīng)染料結(jié)合，可以提高光電流和光電壓，從而獲得性能更好的器件。然而，在某些情況下，協(xié)敏化策略被證明是無效的。識(shí)別用于高效共敏太陽能電池的染料，需要艱苦的研究，包括分子設(shè)計(jì)、合成和篩選。為了進(jìn)一步發(fā)展DSCs，了解和控制兩種敏化劑分子形成的單分子層的吸附和自組裝及其性質(zhì)至關(guān)重要。

在這里，研究者介紹了兩種新的敏化劑(圖1a)互補(bǔ)可見光域光吸收。研究者測量了它們在TiO₂薄膜表面的共吸附動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)兩種染料在TiO₂上初始快速吸附后，隨著染色時(shí)間的增加，在短波長域吸收光的共敏劑逐漸從TiO₂表面解吸。通過對吸附在氧化鋁(Al₂O₃)表面的染料的光致發(fā)光測量，得到的分子組裝不那么密集和無序，表現(xiàn)出較短的熒光壽命和較低的熒光量子產(chǎn)率。

重要的是，研究者發(fā)現(xiàn)在共敏化之前將2-(4-丁氧基苯基)-N-羥乙酰胺(BPHA)分子吸附在TiO₂表面(圖1a)會(huì)延緩染料分子的吸收，抑制共敏化劑的解吸，從而獲得更好的填充密度和增加染料單分子層的有序度。這反過來又增加了所吸附的敏化劑的熒光壽命和熒光量子產(chǎn)率。結(jié)果，DSCs的光電流和功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)得到了顯著提高。

研究發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)空氣質(zhì)量1.5全球模擬陽光下，表現(xiàn)最佳的共敏太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)為15.2%(獨(dú)立證實(shí)為15.2%)，并表現(xiàn)出長期運(yùn)行穩(wěn)定性(500小時(shí))。在較寬的環(huán)境光強(qiáng)度范圍內(nèi)，具有較大活性面積(2.8 cm²)的器件表現(xiàn)出28.4%到30.2%的PCE，且具有較高的穩(wěn)定性。該的發(fā)現(xiàn)為方便地獲得高性能的DSCs鋪平了道路，并為使用環(huán)境光作為能源的低功率電子設(shè)備的電源和電池替換提供了廣闊的應(yīng)用前景。

圖1. BPHA預(yù)吸附劑的分子結(jié)構(gòu)及其對TiO₂表面染料組合的影響

圖2. BPHA預(yù)吸附劑對裝置性能的影響

圖3. DSCs在環(huán)境光照條件下的性能

作者簡介

米夏埃爾?格雷策爾（Michael Gr?tzel），瑞士國籍，物理化學(xué)家。1944年出生于德國多夫歇姆尼茨。1968年在德國柏林自由大學(xué)獲化學(xué)碩士學(xué)位，1971年在柏林工業(yè)大學(xué)獲物理化學(xué)博士學(xué)位，1972—1974年在美國圣母大學(xué)進(jìn)行博士后研究。1977年至今一直在瑞士洛桑理工學(xué)院工作，現(xiàn)任瑞士洛桑理工學(xué)院界面與光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任、教授。2012年當(dāng)選為歐洲科學(xué)院院士，2014年當(dāng)選為德國國家科學(xué)院院士，2016年當(dāng)選為美國國家發(fā)明家學(xué)院會(huì)員，2019年當(dāng)選為瑞士工程科學(xué)院院士，2021年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士。

格雷策爾教授主要開展染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池和太陽燃料創(chuàng)新研究并取得卓越成就，被譽(yù)為“染料敏化太陽能電池之父”，開創(chuàng)了介觀系統(tǒng)中能量和電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)研究及其在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用，并取得一系列重大科學(xué)突破，發(fā)明了染料敏化太陽能電池（被稱為“Gr?tzel電池”）；此外，在染料敏化太陽能電池方面的工作，促成了鈣鈦礦太陽能電池的迅速發(fā)展，10年內(nèi)就以超過25%的光電轉(zhuǎn)換效率超越了多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率；引領(lǐng)了介觀系統(tǒng)在太陽燃料領(lǐng)域的應(yīng)用。迄今已在Nature、Science等期刊發(fā)表論文1650多篇，總引用43萬多次，單篇最高引用超過3萬次，谷歌學(xué)術(shù)（Google Scholar）h指數(shù)288；近期，斯坦福大學(xué)主導(dǎo)的一項(xiàng)科學(xué)家排名將格雷策爾教授被列為各領(lǐng)域10萬名頂級(jí)科學(xué)家中的第1名。格雷策爾教授獲授權(quán)專利50多項(xiàng)。獲國際知名獎(jiǎng)勵(lì)30余項(xiàng)，包括歐洲千禧年創(chuàng)新獎(jiǎng)（2000）、英國皇家化學(xué)會(huì)法拉第獎(jiǎng)?wù)拢?001）、意大利埃尼-依達(dá)爾科學(xué)環(huán)境獎(jiǎng)（2003）、以色列海法理工學(xué)院哈維科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（2008）、愛因斯坦世界科學(xué)獎(jiǎng)（2012）、以色列薩姆森總理替代燃料創(chuàng)新獎(jiǎng)(2014)、沙特阿拉伯費(fèi)薩爾國王國際科學(xué)獎(jiǎng)（2015）、瑞士化學(xué)學(xué)會(huì)巴拉塞爾士獎(jiǎng)和獎(jiǎng)?wù)拢?016）、英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)百年獎(jiǎng)（2016）、俄羅斯全球能源獎(jiǎng)（2017）、德國化學(xué)學(xué)會(huì)奧古斯特?馮?霍夫曼紀(jì)念章（2018）、德國迪爾斯-普朗克獎(jiǎng)?wù)潞椭v座（2020）等。

文獻(xiàn)信息

Ren, Y., Zhang, D., Suo, J.?et al.?Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells.?Nature?(2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05460-z

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05460-z

http://www.casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/wjysmd/202201/t20220126_4823687.html

https://sc.panda321.com/citations?user=B0h47WAAAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao

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染料敏化太陽能電池之父，再發(fā)Nature！

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