如何有效控制有机光敏染料的电子转移?

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在染料敏化太阳能电池研究领域,电池内部的电子转移动力学一直吸引着科学家们的兴趣。对电子转移的深入理解是提高电池效率的重要条件。自从1991年Grätzel教授报道了第一个高效的染料敏化太阳能电池,经过20多年的努力,电池的效率已经达到了14%。经过大量的基础实验研究,人们发现电子能够快速地从激发态染料注入到二氧化钛以及氧化态染料有效地被电对再生是制作高效染料敏化太阳能电池的关键因素。一般来说,有效的电子转移和非必要转移产生的能量损失程竞争性存在,如激发态染料的电子注入过程以及注入到二氧化钛中的电子和氧化态染料的复合过程。也就是说,电荷分离效率是影响着电池效率的主要因素,而有效的电荷分离意味着能量损失的减少。

发展至今,电子转移动力学和电池效率的关系已经被广泛研究。其中一些研究发现,为了减慢注入到二氧化钛中的电子和氧化态染料的复合速率,控制染料中的正电荷远离二氧化钛表面是一种可行性的方式。而据报道,这种理论已经被成功应用到以金属配合钌染料作为光敏剂的染料敏化太阳能中,通过在染料分子结构中引入外部供电子体部分来抑制钌染料的电子复合速率,但是在有机光敏染料领域还没有被研究过。

大连理工大学孙立成教授与瑞典皇家理工及乌普萨拉大学研究团队合作研究在控制有机光敏染料的电子转移方面取得了重要进展。他们设计合成一个新型三苯胺的光敏剂,命名为E6。而这个新型光敏剂是在已经报道过的三苯胺类染料D49的供电体部分,通过脂肪键引入两个外部三苯胺电子供体。而这样设计的理念就是光照激发后,中心三苯胺供体富集的电子会被激发到激发态,产生的空穴以更快的速度转移到外部两个三苯胺电子供体上,从而实现正电荷远离二氧化钛表面来抑制电子复合过程。通过瞬态吸收光谱的测试研究,这一设计思想被确认,而相对母体染料D49, E6染料的电子复合速率被减慢30 %。相应的,以E6制备的太阳能电池表现出更高的电压和更高的光电效率。同时研究人员还发现两个外部三苯胺的引入,在一定程度上还抑制了注入到二氧化钛中的电子和电解质中氧化态电对的复合。相关论文在线发表在Advanced Science