极度扭曲的染料敏化分子,极大提升的太阳能电池性能

30染料敏化太阳能电池以其原料来源丰富、制作工艺简单、环境友好等优点,引起了人们的广泛关注。作为核心光电转化组分,染料敏化剂的设计与合成一直是该类电池的研究热点。染料的结构不仅决定了太阳光的吸收范围,还对电子注入、回传等重要过程产生很大影响。大多数有机染料主要采用“给体-共轭桥-受体”的结构,以氰基乙酸作为受体和锚合基团,因此平面性较好的染料往往覆盖更大的太阳光范围,体现出较高的光电转换效率。可是,在染料分子中加入强拉电子的额外受体后,这种保持整个分子共平面的设计理念往往表现出反常的趋势,难以获得很高的光电转换效率,甚至会大幅度降低电池性能。

针对这一不利现象,武汉大学化学与分子科学学院李振和李倩倩课题组提出了一种扭曲分子结构的方法以提高这一类染料的效率。论文从“噻吩体系”出发,通过在间隔基团噻吩上引入烷基链的方式,依次增大辅助受体与氰基乙酸的扭转角和键长,调节二者之间的共轭程度,制备了一系列与普遍认知的“共平面性分子”相悖的染料,实验结果给出了令人惊讶的结论:分子的共轭越差,电池的效率越高。这一结论被成功地应用到更为广泛的构建单元“苯环体系”中,进一步地提高了电池的效率。所有电池测试表明,这种扭曲的分子结构对电子的注入没有显著的影响,但使二氧化钛的导带上升,电子寿命延长,二氧化钛/染料/电解质界面的电阻增大,有利于电池的电压和电流的提升;电子局域性更强的苯单元优于噻吩单元,更能有效地间隔额外受体和氰基乙酸。

这一设计理念可以应用于改进目前存在的大量的含辅助受体的染料分子,为其光电转换性能的进一步提高提供了有效的途径。相关工作发表在Adv. Energy Mater.(DOI: 10.1002/aenm.201500846)上。