聚星代理注册聚星注册登录首页染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells, DSSCs）具有低制造成本、颜色可调、易实现柔性等特点，作为一种清洁能源技术备受关注。传统的高效率DSSCs大多基于液态电解液，使用过程中容易发生泄漏，限制了器件的长期稳定性。另外，DSSCs属于典型的激子型太阳能电池，其电压损失普遍较大，严重制约了电池的开路电压（）性能以及光电转换效率的提升。（注：电压损失通常用光学带隙Eg与标准太阳光强下的差值来衡量，高效率的晶硅和钙钛矿等太阳电池电压损失约为0.4-0.5 V，而DSSCs的电压损失大多在0.8-1.0 V以上。）

　　DSSCs 中的电压损失主要来源于以下三个方面（图1a）： 1、激发态染料将电子注入到 TiO2中所需要的过电势引起的注入电压损失；2、注入到TiO2中的电子与氧化态染料或者电解液中氧化还原电对发生复合的电压损失；3、电解液电对将氧化态染料还原所需要的过电势引起的再生电压损失。为了减小 DSSCs 中的电压损失，需要在保证电子注入和染料再生驱动力足够的条件下尽可能减小注入和再生的过电势，同时要尽可能抑制电子复合过程。之前报道的针对DSSCs的优化主要集中在新材料包括n型半导体氧化物、光敏剂、氧化还原电对和对电极材料等的开发上，这些优化策略在一定程度上减小了电压损失并带来效率提升。然而到目前为止，如何系统地全面减小DSSCs中电子注入、染料再生和电子复合过程中电压损失的工作却很少报道。

　　最近，华东理工大学的吴永真特聘教授（点击查看介绍）和朱为宏教授（点击查看介绍）课题组与瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授（点击查看介绍）课题组合作，通过基于辅助受体染料敏化剂分子工程和铜基电解质的优化，对DSSCs中引起电压损失的三个方面进行了全面的调控，最终将DSSCs的电压损失降低至0.6 V，获得了1.1 V的超高VOC值和固态器件11.7%的能量转换效率，为当前该类电池最佳效率之一。该结果发表在国际知名能源期刊Energy & Environmental Science上。

　　作者采用的策略包括：1）通过基于辅助受体的染料分子工程定向调控染料的能级，减小染料LUMO能级与TiO2导带底的能级差，有效降低了电子注入过程的电压损失；2）针对辅助受体造成的较低的染料HOMO能级，引入氧化还原电位更大的铜基还原电对，有效降低了染料再生过程的电压损失；3）在辅助受体上引入合适的烷基链，优化染料在纳米晶TiO2表面的单分子层组装，有效抑制界面电子复合造成的电压损失。

　　首先，如图1b所示，作者以经典的Y123染料为参比，在基于三苯胺给体和环戊二烯并二噻吩共轭桥连之间引入基于喹喔啉的辅助受体来定向调控染料的能级，设计合成了WS-70和WS-72两个新染料。

　　图1. 染料敏化太阳能电池中电压损失的示意图（a），染料Y123、WS-70和WS-72的分子结构（b）。

　　如图2所示，辅助受体喹喔啉的引入明显地降低了染料的LUMO能级，初步利用基于钴电解液制备DSSCs器件评价染料光伏性能，发现LUMO能级降低后，单色光转换效率（IPCE）基本保持不变，而电池VOC则明显上升，表明针对电子注入过程的电压损失控制是成功的。

　　图2. 染料Y123、WS-70和WS-72在CH2Cl2溶液（a）和2 μm透明TiO2膜上（b）的紫外-可见吸收光谱图，敏化剂的LUMO，HOMO能级示意图（c），基于染料和[Co(bpy)3]3+/2+还原电对的DSSCs的IPCE光谱（d）和J-V曲线 mW cm-2光强：实线，暗电流：虚线，e），太阳能电池效率分布的直方图（f）。

　　辅助受体的引入在降低染料LUMO能级的同时也降低了HOMO能级，因此会造成染料再生过程电压损失增大。为此，作者引入了氧化还原电位更大（能级更深）的铜基还原电解质（图3）制备DSSCs器件，可以看到电池的VOC性能进一步提升，其中基于染料WS-72的电池获得了超高1.1 V的VOC值，几乎是目前高效率DSSCs的最高开路电压。

　　作者进一步利用瞬态吸收、电化学阻抗以及瞬态光电压等表征手段，证实了染料分子中辅助受体的结构设计不仅延长了氧化态染料的寿命，而且有效低抑制了电池内部电子复合过程（图4），从而解释了电池开路电压性能的提升。

　　图4. 染料Y123、WS-70和WS-72吸附在介孔TiO2膜上与惰性电解质的激光光解实验（激发波长为525 nm，检测波长为580 nm，a），基于染料和[Co(bpy)3]3+/2+（b）和[Cu(tmby)2]2+/+（c）氧化还原电对的电池器件中TiO2/染料/电解质界面的电荷传输电阻。

　　最后，作者利用铜基氧化还原电对的特别性质对电池器件中电解液进行固化处理，制备了固态DSSCs，并对光伏性能和器件结果进行了表征（图5），得到的全固态器件取得了11.7%的能量转换效率（短路电流为13.8 mA cm-2、开路电压为1.07 V、填充因子为 0.79），这也是目前固态染料敏化太阳电池的最高能量转换效率。

　　图5. 基于WS-72染料以及[Cu(tmby)2]2+/+空穴传输材料的固态DSSCs在不同光强下的J-V曲线（a），光电流瞬态动力学测试（b），去除PEDOT对电极的固态DSSCs截面扫描电子显微镜图片（c）。

　　作者通过对DSSCs中电压损失的全面调控，显著降低了染料能带隙（Energy gap）与开路电压（VOC）之间的“Trade-off”效应，WS-72染料在铜基液态电解质中获得了1.1 V的开路电压值，该光电压表现与高效率的钙钛矿太阳能电池相当，并且，系统的电压损失减小到了0.6 V，相比于以往高效率DSSCs中0.8-1.0 V的电压损失有了明显的改进。该工作为从电池工作原理上减小激子型太阳能电池中的电压损失以提高其能量转换效率提供了新的思路

　　该工作由博士生张维伟在朱为宏教授和吴永真特聘教授的共同指导下完成，得到了瑞士洛桑联邦理工学院Michael Grätzel教授和Shaik Mohammed Zakeeruddin高级研究员的大力支持，以及华东理工大学田禾院士的指导。该工作得到了国家自然科学基金委、国家留学基金委、中央高校基本业务费和上海市“东方学者”人才计划等科研项目的资助。