Solar RRL:高效注入——基于吲哚聚咔唑基的染料敏化太阳能电池

目前,世界上大约85%的能源需求都依赖于大量的化石能源,对环境和人类健康造成了严重的影响,据预测,全球能源在2050年还将翻倍。因此全球范围内采取积极有效的行动,开发高效、可持续的新能源迫在眉睫,太阳能取之不尽用之不竭,无疑是最佳候选人之一。第一代晶硅太阳能电池和第二代薄膜太阳能电池,因受困于对太阳光的“高要求”——阴雨天、雾霾天,甚至光照角度倾斜太大,发电效率都会大打折扣,难以充分满足全球每年约1000亿美元的光伏太阳能产业市场。染料敏化太阳能电池(DSSC)是模仿光合作用原理工作的一种新型太阳能电池,1991年由瑞士科学家发明。该电池具有对光照要求低、原料易获取、生产能耗低、无污染、工艺和设备简单、便于大面积连续生产等优点,且颜色可调,有装饰效果。经过近些年的发展,其单个敏化剂的光电转换效率已提高到13%以上。虽然电池效率有了大幅提升,但是器件电子注入效率的高低,电子利用的有效程度是制约染料敏化太阳能电池发展的瓶颈。

大连理工大学精细化工重点实验室孙立成院士研究团队的杨希川教授设计合成研究了不同受体镶嵌基团在吲哚聚咔唑基类染料敏化太阳能电池中的应用,光敏剂分别以刚性的4-乙基苯甲酸(EBA)和z型氰基丙烯酸(CA)为电子受体,依次命名为ZL003和ZL005。采用时间分辨光致发光(TR-PL)光谱法研究了光敏剂与介孔TiO2薄膜之间的电子传递动力学。值得注意的是,与ZL005相比,具有刚性受体结构的ZL003获得了更高的电子注入效率,这与基于ZL003的器件具有更高的光电转换效率和光电流是一致的。与此同时,染料ZL003在介孔二氧化钛薄膜上的载荷量测试几乎是ZL005的两倍,刚性的受体在介孔二氧化钛表面具有更强更好的吸附能力,这也是ZL005器件光电流较低的原因。最终,该电池组件在一个标准太阳光照条件下,基于ZL003的器件实现了13.4%的更高的光电转换效率,而ZL005仅7.2%。我们相信,此项研究将会为基于吲哚聚咔唑基类染料敏化太阳能电池的设计打开一扇窗户,并为提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率提供了新的思路。这些驭光而来的光敏剂,将为会纷繁妙曼的光电材料之舞谱写下新的音符。相关工作发表在Advanced Materials子刊Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201900436)上。