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全面调控染料敏化太阳能电池中的电压损失:全固态DSSCs实现11.7%能量转换效率

全面调控染料敏化太阳能电池中的电压损失:全固态DSSCs实现11.7%能量转换效率

【引言】

激子型太阳能电池中较大的电压损失(voltage loss)严重制约了其能量转换效率(Power conversion efficiency, PCE)。相比于高效率的晶硅和钙钛矿太阳能电池,染料敏化太阳能电池(DSSCs)的电压损失较大,这也是限制其效率提升的重要原因。


【成果简介】

最近,华东理工大学的吴永真特聘教授和朱为宏教授课题组与瑞士洛桑联邦理工学院MichaelGrätzel教授课题组合作,通过染料敏化剂和电解质的有效分子工程,对DSSCs中的电压损失进行了全面的调控,在全固态染料敏化太阳能电池取得了11.7%的能量转换效率。该文章发表在国际知名能源期刊Energy & Environmental Science上(影响因子:29.5)。


【图文导读】

为了减小染料敏化太阳能电池中的电压损失,需要在保证激发态染料电子注入和氧化态染料再生驱动力足够的前提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、还原电对和对电极材料等的开发上,这些优化策略带来能量转换效率提升的根本原因是电压损失在一定程度的减小。然而到目前为止,如何全面定向地减小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鲜见报道。

研究人员从染料敏化太阳能电池的工作原理出发,通过三个有效途径对其电压损失进行全面地定向调控:1)通过染料分子工程减小电子注入驱动力;2)通过还原介质的分子工程减小染料再生过电势;3)抑制界面电子复合。以经典的Y123染料为参比,为了减小电子注入的电压损失,在染料给体和环戊联噻吩桥连之间引入基于喹喔啉的额外受体来降低染料的LUMO能级,设计合成了WS-70和WS-72染料,通过对电解质中还原电对的分子工程进一步减小了染料再生过程中的电压损失,最后通过控制染料在TiO2表面的组装减小电子复合过程中的电压损失。经过这些策略的优化,显著减小了染料能带隙(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600 mV,相比于以往高效率DSSC中800-1000 mV的电压损失有了明显的改进。进一步对电池器件中电解质进行固化处理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),这也是目前全固态染料敏化太阳电池的最高能量转换效率。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。

全面调控染料敏化太阳能电池中的电压损失:全固态DSSCs实现11.7%能量转换效率

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)。

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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(100 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)。

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图3. [Co(bpy)3]^3+/2+[Cu(tmby)2]^2+/+氧化还原电对的化学结构式(a),基于染料Y123、WS-70和WS-72以及[Cu(tmby)2]^2+/+还原电对的电池器件的J-V曲线(100 mW/cm2光强:实线,暗电流:虚线,b),效率分布的直方图(c)和IPCE光谱(d)。

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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。

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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)。


该论文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MichaelGrätzel教授和Shaik Mohammed Zakeeruddin高级研究员的大力支持,以及田禾院士的悉心指导。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。

 

Weiwei Zhang, Yongzhen Wu, Hee Won Bahng, Yiming Cao, Chenyi Yi, Yasemin Saygili, Jingshan Luo, Yuhang Liu, Ladislav Kavan, Jacques-E. Moser, Anders Hagfeldt, He Tian, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Wei-Hong Zhu, Michael Grätzel; Comprehensive control of voltage loss enables 11.7% efficient solid-state dye-sensitized solar cells, Energy Environ. Sci., 2018, DOI:10.1039/C8EE00661J


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