基于一种蓝染料和铜电解质的高效染料敏化太阳能电池

近几年，染料敏化太阳能电池基于铜配合物氧化还原电对电解质取得突破性进展：在室内光照条件下取得30%以上的光电能量转换效率（PCE），并且在标准AM1.5G太阳光辐照下实现认证的12.3% 的PCE。这些突破主要得益于以下三点：1）以4,4',6,6'-四甲基-2,2'-联吡啶为配体的铜配合物氧化还原电对具有较正的氧化还原电位，使太阳电池容易实现1 V以上的开路光电压；2) 近红外吸收光谱染料和合适的窄吸收光谱染料共敏化，抑制界面电荷复合，提高开路光电压和PCE；3）发明了一种先进的器件结构：TiO₂光阳极和聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)对电极直接接触，降低电解质输运的能量损失，从而提高短路光电流和PCE。为了进一步提高基于铜电解质的染料敏化太阳电池效率，开发宽光谱响应染料以同时实现更高开路光电压和短路光电流是核心主题。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Grätzel教授和Anders Hagfeldt教授联合浙江大学化学系王鹏教授的研究团队在前期研究工作的基础上开发出一种含有Hagfeldt大给体的蓝染料R7，该染料结合铜配合物氧化还原电对电解质，在标准AM1.5G太阳光辐照下实现10%以上PCE，是目前基于蓝色染料和铜电解质的染料敏化太阳电池最高效率。通过和Y123 染料共敏化，R7取得12.7%的PCE，并且在全太阳光照45摄氏度条件下加速老化1000小时后，PCE仍然保持初始值的90%。相关论文发表在Advanced Functional Materials 杂志上，第一作者为任垭萌（Yameng Ren）博士。

在该工作中，研究者基于蓝色染料R6的前期研究，开发出一种含有Hagfeldt大给体的蓝色染料R7（分子结构式如图1）。这两种染料的吸收光谱性质相似，但吸附在TiO₂介孔薄膜上的氧化还原电位不同。新染料R7比R6具有较正的氧化还原电位，主要是由于Hagfeldt给体中含己氧基联苯部分扭曲，进而使供电子基团与中心三苯胺核心之间的共轭作用减弱。与R6相比，R7结合铜配合物电解质具有较高的IPCE值以及较优的开路光电压和短路光电流和较高的PCE，在标准AM1.5G太阳光辐照下PCE达到10.7%（如图2所示）。通过电化学阻抗和瞬态吸收光谱测试，结果表明R7较优的器件性能主要得益于其界面电荷复合被抑制，电子寿命较长，净电荷分离效率以及电荷收集效率更高。通过与Y123染料共敏化，R7的PCE得到显著提高，达到12.7% （如图3所示），主要是由于开路光电压和短路光电流得到提升，并且共敏化器件具有较好的光照稳定性：在全太阳光照45摄氏度下加速老化1000小时以后，器件仍然能够保持起始PCE值的90%。该工作为开发近红外吸收光谱染料结合铜电解质以实现更高PCE的染料敏化太阳电池提供参考和指南。

图1. R6和R7的分子结构、吸收光谱和电化学性质。

图2. R6和R7器件的光伏性能。

图3. R7和Y123共敏化器件的光伏性能。

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Blue Photosensitizer with Copper(II/I) Redox Mediator for Efficient and Stable Dye‐Sensitized Solar Cells

Yameng Ren, Natalie Flores‐Díaz, Dan Zhang, Yiming Cao, Jean‐David Decoppet, George Cameron Fish, Jacques‐E. Moser, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Peng Wang, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel

Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004804