高效苝染料敏化太阳电池

AEnM作为一种环境友好、低成本的太阳能光电转换技术,染料敏化太阳电池得到了科技界的深切关注,也实现了小规模的商业化应用。自本世纪初始,有机染料凭借其资源丰富、颜色亮丽等独特优势,引发了国际上的研究热潮。通过对富电子和缺电子共轭p单元的精心剪裁及非光活性片段的理性使用,有机染料敏化太阳电池获得了显著的进展。为了进一步拓宽有机染料对太阳光子的捕获效率,一个常用的策略就是通过连接多个富电子芳香环来降低染料能隙。由于空间位阻效应,芳香环之间不可避免存在一定程度的扭转,对减小能隙不利,环与环之间相对松散的结构也很容易引发非辐射激子失活。

中国科学院长春应用化学研究所王鹏研究员等使用平面的富电子苝衍生物—菲并咔唑作为共轭连接单元,合成出一种宽光谱有机苝染料,在标准AM1.5G模拟太阳光辐照条件下的功率转换效率达8.8%(之前苝染料的最高效率为6.8%)。相比于以苯为共轭连接单元的模型染料,他们所报道的苝染料具有较高的HOMO能级与较低的LUMO能级,具有更好的太阳光子捕获能力。飞秒瞬态吸收光谱测量表明:低LUMO能级的窄能隙有机染料会引发电子注入速率的变慢。通过纳秒瞬态吸收光谱测量,他们还发现HOMO能级的上升会导致空穴注入速率变慢。本工作结合材料设计和物理分析,阐明了设计窄能隙有机染料时需特别关注的两个关键科学问题:延长染料激子寿命;控制半导体纳晶的电子与氧化态染料的空穴之间的复合。