第 一作者：Yameng Ren、Dan Zhang

通訊作者：Anders Hagfeldt、Michael Gr?tzel、Yiming Cao

通訊單位：瑞士洛桑聯(lián)邦大學(xué)

研究亮點(diǎn)：

1.使用預(yù)先吸附在TiO2表面的單分子羥基肟酸衍生物的策略，以改善兩種新設(shè)計(jì)的共吸附增敏劑的染料分子填料和光伏性能。

2.這一概念為利用預(yù)吸附劑控制共吸附染料分子的組裝鋪平了道路，以提高DSCs的性能。

一、控制TiO2表面染料分子的組裝，利于載流子的產(chǎn)生

染料敏化太陽(yáng)能電池(DSCs)利用吸附在納米晶介孔二氧化鈦(TiO2)薄膜表面的光敏劑，連同電解質(zhì)或固體電荷傳輸材料將光轉(zhuǎn)換為電能。同時(shí)它們有許多特點(diǎn)，包括透明、多彩和低成本制造，并被應(yīng)用于玻璃立面、天窗和溫室。近期，敏化劑、氧化還原介質(zhì)和器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展提高了DSCs的性能，特別是在環(huán)境光條件下的表現(xiàn)。為了進(jìn)一步提高其效率，關(guān)鍵是控制TiO2表面染料分子的組裝，這有利于載流子的產(chǎn)生。

二、成果簡(jiǎn)介

因此，瑞士洛桑聯(lián)邦大學(xué)Anders Hagfeldt、Michael Gr?tzel以及Yiming Cao等人在Nature刊發(fā)在這里，作者報(bào)道了一種預(yù)先吸附在TiO2表面的單分子羥基肟酸衍生物的策略，以改善兩種新設(shè)計(jì)的共吸附增敏劑的染料分子填料和光伏性能，這種增敏劑可以在整個(gè)可見(jiàn)區(qū)域定量地收集光。在AM1.5G光條件下，表現(xiàn)Z 佳的共敏化太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率(PCE)為15.2%(獨(dú)立證實(shí)為15.2%)，并表現(xiàn)出長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性(500小時(shí))。在不同的環(huán)境光強(qiáng)度范圍內(nèi)，具有較大活性面積(2.8 cm2)的器件表現(xiàn)出28.4%到30.2%的PCE，且具有較高的穩(wěn)定性。該發(fā)現(xiàn)為獲得高性能DSCs鋪平了道路，并為使用環(huán)境光作為能源的低功率電子設(shè)備相關(guān)應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展前景。

三、結(jié)果與討論

要點(diǎn)1：BPHA提升了DSCs的效率

在整個(gè)可見(jiàn)光域內(nèi)開(kāi)發(fā)具有高吸收系數(shù)和寬光譜響應(yīng)的敏化劑，可以提高、個(gè)染料敏化太陽(yáng)能電池（DSCs）的光伏（PV）性能。然而，由于強(qiáng)烈的π-π分子間相互作用，這種類(lèi)型的敏化劑傾向于聚集在二氧化鈦（二氧化鈦）表面，導(dǎo)致光激發(fā)敏化劑的猝滅和PV性能的惡化。目前，全色染料與窄譜響應(yīng)染料的共敏劑二氧化鈦的表面可以增加光電流和光電電壓，從而獲得更好的個(gè)性能器件。

然而，在某些情況下，共敏化策略被證明是無(wú)效的。識(shí)別高效共敏化太陽(yáng)能電池的染料對(duì)需要艱苦的研究，包括分子設(shè)計(jì)、合成和篩選。對(duì)于DSCs的進(jìn)一步發(fā)展，了解和控制吸附和自組裝以及染料敏化劑分子形成的單層的性質(zhì)是至關(guān)重要的。重要的是，作者發(fā)現(xiàn)在共敏化之前，在二氧化鈦表面吸附2-（4-丁氧基苯）-N-羥基乙酰胺（BPHA）分子（圖1a）延緩了染料分子的攝取，抑 制了共敏劑的解吸，允許更好的包裝密度和增加染料單層的順序。這反過(guò)來(lái)又增加了吸附增敏劑的熒光壽命和熒光量子產(chǎn)率。結(jié)果表明DSC的光電流和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）得到了顯著提高。

圖1 BPHA分子

要點(diǎn)2：兩種增敏劑的共吸附

與SL9的二氧化鈦膜相比，由于SL10的貢獻(xiàn)，共致敏的二氧化鈦膜在400 nm左右明顯多吸收了。重要的是，BPHA預(yù)處理二氧化鈦薄膜增加了共敏二氧化鈦薄膜的吸光度，由于二氧化鈦薄膜上兩種染料的數(shù)量增加，如圖1d所示。然而，作者注意到先前的文獻(xiàn)報(bào)道，BPHA預(yù)處理減少了二氧化鈦表面缺陷。作者確實(shí)證實(shí)了當(dāng)BPHA預(yù)吸附單獨(dú)含有1種增敏劑的溶液時(shí)，BPHA預(yù)吸附降低了SL9和SL10的吸附量。這一結(jié)果表明，預(yù)吸附的BPHA分子在共吸附過(guò)程中，在染料的分子組裝中起著關(guān)鍵作用。

為了進(jìn)一步分析，作者測(cè)量了每種染料在單位幾何面積內(nèi)吸附的敏化劑的摩爾數(shù)和單位膜厚度（Cm）的時(shí)間依賴(lài)性共敏化過(guò)程。圖1e顯示，在未進(jìn)行BPHA預(yù)處理的情況下，SL9 和SL10的Cm值迅速增加，并在1小時(shí)內(nèi)達(dá)到初始峰值，表明出現(xiàn)了相對(duì)快速的競(jìng)爭(zhēng)吸附過(guò)程。此后，它們的表面覆蓋降低，SL10的Cm的初始下降比SL9更明顯。3小時(shí)后， SL10的Cm開(kāi)始逐漸下降，而SL9的Cm開(kāi)始增加，5小時(shí)后減緩。在這個(gè)過(guò)程中，SL10似乎部分被SL9和解吸所取代。作者注意到，這是對(duì)共敏化過(guò)程中染料吸附動(dòng)力學(xué)的第 一 個(gè)解釋?zhuān)@將有助于未來(lái)光敏劑的器件工程和分子設(shè)計(jì)。

圖1h示意圖顯示了預(yù)吸附劑控制共吸附染料分子組裝的作用。在沒(méi)有預(yù)吸附BPHA的情況下，兩種增敏劑都在二氧化鈦表面快速吸附，導(dǎo)致無(wú)序的分子堆積。相比之下，對(duì)于預(yù)吸附的BPHA，增敏劑逐漸取代了BPHA分子，延緩了攝取，抑 制了共增敏劑的解吸，形成了致密有序的分子層。這一概念為利用預(yù)吸附劑控制共吸附染料分子的組裝鋪平了道路，以提高DSCs的性能。

圖2 兩種增敏劑的共吸附

要點(diǎn)3：太陽(yáng)能模擬器下的光伏性能

值得注意的是，在電解質(zhì)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），從而達(dá)到了高FF。采用NMB基電解質(zhì)（EL2）的Z 佳共敏化裝置的FF值為78.4%，Voc和Jsc值分別為1.04 V和17.1 mA cm?2，PCE值較低，為13.9%（補(bǔ)充圖8a）。報(bào)道了基于EL2的設(shè)備性能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析?；贓L2電解質(zhì)的DSC，作者獲得了13.10%，ISE認(rèn)證PCE為13.00 ± 0.39%，如圖9所示。使用CEMI代替NMB的器件的FF為155，主要是由于較低的傳輸損失。值得注意的是，染料敏化器件優(yōu)于基于SL9的細(xì)胞，這歸因于共敏劑SL10的高Voc為1.22 V，由于其能夠減少界面電荷重組。

BPHA共同敏感二氧化鈦電影預(yù)處理，Z 優(yōu)DSC顯示明顯162增強(qiáng)Jsc17.8 mAcm?2，類(lèi)似Voc 1.04V和稍微更好的FF 82.1%，產(chǎn)生一個(gè)新的基準(zhǔn)電腦15.2%（圖2），證實(shí)了穩(wěn)定的功率輸出在164的Z 大功率點(diǎn)。從IPCE（圖2b）的太陽(yáng)發(fā)射光譜積分得到的Jsc值與從J?V曲線測(cè)量到的Jsc 吻合得很好。需要注意的是，其中一個(gè)優(yōu)化的DSCs在I EM的光伏實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了獨(dú)立測(cè)試，確認(rèn)PCE為15.2%。。顯然，170 BPHA預(yù)處理改善了DSCs的Jsc和PCE。從圖2d可以看出， BPHA預(yù)處理的器件在環(huán)境空氣和全太陽(yáng)照明下進(jìn)行500小時(shí)的Z 大功率跟蹤（MPPT）后，保持了初始效率的93%。

圖3 太陽(yáng)光模擬器下的光伏性能

要點(diǎn)4：在LED照明下的光伏性能

隨著物聯(lián)的快速發(fā)展，未來(lái)十年，建筑內(nèi)將安裝新型無(wú)線傳感器。為了為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，室內(nèi)光伏是非常有前途的替代品，電池是目前Z 常見(jiàn)的電源，但有缺點(diǎn)，如更換、維護(hù)和壽命短。DSCs在185中是獨(dú) 一無(wú)二的，它們?cè)诃h(huán)境光下非常有效。作者在典型的3000K、4000K和6500K發(fā)光二極管提供的模擬環(huán)境光下測(cè)試了它們的性能（LED）分別為燈。作者使用B型二氧化鈦電極和CEMI基電解質(zhì)（EL3）制備了活性面積為為2.8 cm2的DSCs。與全太陽(yáng)光條件下相比，在環(huán)境光下工作的DSC 相對(duì)于氧化還原航天飛機(jī)的擴(kuò)散通量的要求較低。因此，采用較厚的透明二氧化鈦層來(lái)獲取環(huán)境光通量。電解質(zhì)溶劑乙腈被低揮發(fā)性和低毒的3-甲氧基丙 腈取代，由于其長(zhǎng)期耐久性，促進(jìn)了其實(shí)際應(yīng)用。

圖4 在LED照明下的光伏性能

四、小結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，作者報(bào)道，介觀二氧化鈦膜預(yù)吸附BPHA生成致密和有序分子包裝的吸附敏化劑顯示互補(bǔ)光吸收收獲整個(gè)可見(jiàn)光光譜，同時(shí)延長(zhǎng)光致發(fā)光壽命和提高光致發(fā)光量子產(chǎn)率提高PV性能。使用BPHA預(yù)吸附，作者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G陽(yáng)光達(dá)到了15%以上，并具有較高的操作穩(wěn)定性。在led模擬的環(huán)境光下，PSC翻了一倍，超過(guò)30%。作者的研究結(jié)果為通過(guò)預(yù)吸附控制的敏化劑的自組裝來(lái)進(jìn)一步提高DSCs的性能提供了一條很有前途的途徑。

五、參考文獻(xiàn)

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

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

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