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用户前沿丨瑞士洛桑联邦大学Michael Grätzel再发Nature:染料敏化太阳能电池新纪录

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实验结果/结论
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第 一作者:Yameng Ren、Dan Zhang

通讯作者:Anders Hagfeldt、Michael Grätzel、Yiming Cao

通讯单位:瑞士洛桑联邦大学


研究亮点:

1.使用预先吸附在TiO2表面的单分子羟基肟酸衍生物的策略,以改善两种新设计的共吸附增敏剂的染料分子填料和光伏性能。

2.这一概念为利用预吸附剂控制共吸附染料分子的组装铺平了道路,以提高DSCs的性能。


一、控制TiO2表面染料分子的组装,利于载流子的产生

染料敏化太阳能电池(DSCs)利用吸附在纳米晶介孔二氧化钛(TiO2)薄膜表面的光敏剂,连同电解质或固体电荷传输材料将光转换为电能。同时它们有许多特点,包括透明、多彩和低成本制造,并被应用于玻璃立面、天窗和温室。近期,敏化剂、氧化还原介质和器件结构的发展提高了DSCs的性能,特别是在环境光条件下的表现。为了进一步提高其效率,关键是控制TiO2表面染料分子的组装,这有利于载流子的产生。


二、成果简介

因此,瑞士洛桑联邦大学Anders Hagfeldt、Michael Grätzel以及Yiming Cao等人在Nature刊发在这里,作者报道了一种预先吸附在TiO2表面的单分子羟基肟酸衍生物的策略,以改善两种新设计的共吸附增敏剂的染料分子填料和光伏性能,这种增敏剂可以在整个可见区域定量地收集光。在AM1.5G光条件下,表现最 佳的共敏化太阳能电池的转换效率(PCE)为15.2%(独立证实为15.2%),并表现出长期运行稳定性(500小时)。在不同的环境光强度范围内,具有较大活性面积(2.8 cm2)的器件表现出28.4%到30.2%的PCE,且具有较高的稳定性。该发现为获得高性能DSCs铺平了道路,并为使用环境光作为能源的低功率电子设备相关应用提供了广阔的发展前景。


三、结果与讨论

要点1:BPHA提升了DSCs的效率

在整个可见光域内开发具有高吸收系数和宽光谱响应的敏化剂,可以提高、个染料敏化太阳能电池(DSCs)的光伏(PV)性能。然而,由于强烈的π-π分子间相互作用,这种类型的敏化剂倾向于聚集在二氧化钛(二氧化钛)表面,导致光激发敏化剂的猝灭和PV性能的恶化。目前,全色染料与窄谱响应染料的共敏剂二氧化钛的表面可以增加光电流和光电电压,从而获得更好的个性能器件。


然而,在某些情况下,共敏化策略被证明是无效的。识别高效共敏化太阳能电池的染料对需要艰苦的研究,包括分子设计、合成和筛选。对于DSCs的进一步发展,了解和控制吸附和自组装以及染料敏化剂分子形成的单层的性质是至关重要的。重要的是,作者发现在共敏化之前,在二氧化钛表面吸附2-(4-丁氧基苯)-N-羟基乙酰胺(BPHA)分子(图1a)延缓了染料分子的摄取,抑 制了共敏剂的解吸,允许更好的包装密度和增加染料单层的顺序。这反过来又增加了吸附增敏剂的荧光寿命和荧光量子产率。结果表明DSC的光电流和功率转换效率(PCE)得到了显著提高。


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图1 BPHA分子


要点2:两种增敏剂的共吸附

与SL9的二氧化钛膜相比,由于SL10的贡献,共致敏的二氧化钛膜在400 nm左右明显多吸收了。重要的是,BPHA预处理二氧化钛薄膜增加了共敏二氧化钛薄膜的吸光度,由于二氧化钛薄膜上两种染料的数量增加,如图1d所示。然而,作者注意到先前的文献报道,BPHA预处理减少了二氧化钛表面缺陷。作者确实证实了当BPHA预吸附单独含有1种增敏剂的溶液时,BPHA预吸附降低了SL9和SL10的吸附量。这一结果表明,预吸附的BPHA分子在共吸附过程中,在染料的分子组装中起着关键作用。


为了进一步分析,作者测量了每种染料在单位几何面积内吸附的敏化剂的摩尔数和单位膜厚度(Cm)的时间依赖性共敏化过程。图1e显示,在未进行BPHA预处理的情况下,SL9 和SL10的Cm值迅速增加,并在1小时内达到初始峰值,表明出现了相对快速的竞争吸附过程。此后,它们的表面覆盖降低,SL10的Cm的初始下降比SL9更明显。3小时后, SL10的Cm开始逐渐下降,而SL9的Cm开始增加,5小时后减缓。在这个过程中,SL10似乎部分被SL9和解吸所取代。作者注意到,这是对共敏化过程中染料吸附动力学的第 一 个解释,这将有助于未来光敏剂的器件工程和分子设计。


图1h示意图显示了预吸附剂控制共吸附染料分子组装的作用。在没有预吸附BPHA的情况下,两种增敏剂都在二氧化钛表面快速吸附,导致无序的分子堆积。相比之下,对于预吸附的BPHA,增敏剂逐渐取代了BPHA分子,延缓了摄取,抑 制了共增敏剂的解吸,形成了致密有序的分子层。这一概念为利用预吸附剂控制共吸附染料分子的组装铺平了道路,以提高DSCs的性能。


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图2 两种增敏剂的共吸附


要点3:太阳能模拟器下的光伏性能

值得注意的是,在电解质中使用5-氯-1-乙基-2-甲基咪唑(CEMI),而不是N-甲基苯并咪唑(NMB),从而达到了高FF。采用NMB基电解质(EL2)的最 佳共敏化装置的FF值为78.4%,Voc和Jsc值分别为1.04 V和17.1 mA cm−2,PCE值较低,为13.9%(补充图8a)。报道了基于EL2的设备性能指标的统计分析。基于EL2电解质的DSC,作者获得了13.10%,ISE认证PCE为13.00 ± 0.39%,如图9所示。使用CEMI代替NMB的器件的FF为155,主要是由于较低的传输损失。值得注意的是,染料敏化器件优于基于SL9的细胞,这归因于共敏剂SL10的高Voc为1.22 V,由于其能够减少界面电荷重组。


BPHA共同敏感二氧化钛电影预处理,最 优DSC显示明显162增强Jsc17.8 mAcm−2,类似Voc 1.04V和稍微更好的FF 82.1%,产生一个新的基准电脑15.2%(图2),证实了稳定的功率输出在164的最 大功率点。从IPCE(图2b)的太阳发射光谱积分得到的Jsc值与从J−V曲线测量到的Jsc 吻合得很好。需要注意的是,其中一个优化的DSCs在I EM的光伏实验室进行了独立测试,确认PCE为15.2%。。显然,170 BPHA预处理改善了DSCs的Jsc和PCE。从图2d可以看出, BPHA预处理的器件在环境空气和全太阳照明下进行500小时的最 大功率跟踪(MPPT)后,保持了初始效率的93%。


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图3 太阳光模拟器下的光伏性能


要点4:在LED照明下的光伏性能

随着物联的快速发展,未来十年,建筑内将安装新型无线传感器。为了为物联网设备供电,室内光伏是非常有前途的替代品,电池是目前最 常见的电源,但有缺点,如更换、维护和寿命短。DSCs在185中是独 一无二的,它们在环境光下非常有效。作者在典型的3000K、4000K和6500K发光二极管提供的模拟环境光下测试了它们的性能(LED)分别为灯。作者使用B型二氧化钛电极和CEMI基电解质(EL3)制备了活性面积为为2.8 cm2的DSCs。与全太阳光条件下相比,在环境光下工作的DSC 相对于氧化还原航天飞机的扩散通量的要求较低。因此,采用较厚的透明二氧化钛层来获取环境光通量。电解质溶剂乙腈被低挥发性和低毒的3-甲氧基丙 腈取代,由于其长期耐久性,促进了其实际应用。


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图4 在LED照明下的光伏性能


四、小结

总的来说,作者报道,介观二氧化钛膜预吸附BPHA生成致密和有序分子包装的吸附敏化剂显示互补光吸收收获整个可见光光谱,同时延长光致发光寿命和提高光致发光量子产率提高PV性能。使用BPHA预吸附,作者对标准AM1.5G阳光达到了15%以上,并具有较高的操作稳定性。在led模拟的环境光下,PSC翻了一倍,超过30%。作者的研究结果为通过预吸附控制的敏化剂的自组装来进一步提高DSCs的性能提供了一条很有前途的途径。


五、参考文献

Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells, Nature, 2022.

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


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