染料敏化太陽電池
關注創建者：揉進清晨里的春天 創建時間：2018-11-14
染料敏化太陽電池的實例教程
中國作為全球最大的太陽能電池生產國和需求國，正在發揮越來越重要的作用。
染料敏化太陽電池屬于下一代光伏技術，作為色彩絢麗的透明電板在產業化方面已嶄露頭角。去除電解質中的揮發性組分并保證高效率和耐久性是獲得戶外器件長期應用的先決條件。
近日，浙江大學化學系王鵬教授課題組與瑞士聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授課題組合作，在光熱穩定的染料敏化太陽能電池研究方面取得了重要進展。中外科學家基于理論計算和他們前期開發的模型染料C218，將氰基丙烯酸電子受體用三元苯并噻二唑-乙炔-苯甲酸替代，合成出具有更寬光譜響應的窄能隙有機染料C268，與寬能隙的染料SC4在二氧化鈦表面共接枝，首次研制出強耐久且能量轉換效率達10%的無揮發染料敏化太陽能電池。
這一成果以封面論文形式發表于細胞出版社新創立的能源領域旗艦期刊《焦耳》（Joule）上，并已經投入生產使用。
Joule當期封面，內容為奧地利格拉茨的科技大廈
新一代能源，模擬光合作用
自然界中植物的光合作用，是地球上最為有效的固定太陽光能的過程，染料敏化太陽電池就是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池。其由低成本的納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底幾個關鍵元件組成。
如果知道樹葉的結構，你會很好地理解染料敏化太陽電池。從結構上來看，染料敏化太陽電池就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被敏化劑所代替、而納米多孔半導體薄膜結構則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。
染料敏化太陽電池結構
無揮發性
目前高效的染料敏化電池的電解液都采用乙腈作為溶劑，這種溶劑沸點僅有81.6攝氏度，就像香水一樣，極易揮發，嚴重影響太陽電池的使用壽命。
展開 中國作為全球最大的太陽能電池生產國和需求國，正在發揮越來越重要的作用。
染料敏化太陽電池屬于下一代光伏技術，作為色彩絢麗的透明電板在產業化方面已嶄露頭角。去除電解質中的揮發性組分并保證高效率和耐久性是獲得戶外器件長期應用的先決條件。
近日，浙江大學化學系王鵬教授課題組與瑞士聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授課題組合作，在光熱穩定的染料敏化太陽能電池研究方面取得了重要進展。中外科學家基于理論計算和他們前期開發的模型染料C218，將氰基丙烯酸電子受體用三元苯并噻二唑-乙炔-苯甲酸替代，合成出具有更寬光譜響應的窄能隙有機染料C268，與寬能隙的染料SC4在二氧化鈦表面共接枝，首次研制出強耐久且能量轉換效率達10%的無揮發染料敏化太陽能電池。
這一成果以封面論文形式發表于細胞出版社新創立的能源領域旗艦期刊《焦耳》（Joule）上，并已經投入生產使用。
Joule當期封面，內容為奧地利格拉茨的科技大廈
新一代能源
模擬光合作用
自然界中植物的光合作用，是地球上最為有效的固定太陽光能的過程，染料敏化太陽電池就是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池。其由低成本的納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底幾個關鍵元件組成（見圖2）。
如果知道樹葉的結構，你會很好地理解染料敏化太陽電池。從結構上來看，染料敏化太陽電池就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被敏化劑所代替、而納米多孔半導體薄膜結構則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。
染料敏化太陽電池結構
無揮發性
目前高效的染料敏化電池的電解液都采用乙腈作為溶劑，這種溶劑沸點僅有81.6攝氏度，就像香水一樣，極易揮發，嚴重影響太陽電池的使用壽命。
王鵬等人使用室溫熔鹽作為電解質，也就是在室溫下，完全由離子組成的液體導電材料。
展開 (a)POM和TiO2的能級圖;
(b)在AM1.5模擬光下(實線、虛線)POMs敏化(紅線)和空白TiO2(黑線)太陽能電池的電流-電壓曲線。
圖17. POMs作為共敏化劑原理與性能示意圖。
(a)POMs作為共敏化劑示意圖；
(b)POMs和TiO2的能級示意圖;
(c)GeW9-Mn-SnR敏化太陽能電池的電流-電壓曲線;
(d)單獨N719(黑線)和GeW9-Mn-SnR/N719(紅線)敏化DSSCs的電流-電壓曲線(虛線為暗電流)。
圖18. 雜多藍薄膜制備示意圖以及光響應性能測試。
(a)FTO上的薄膜結構和真空熱蒸發固態還原POMs的示意圖;
(b)在可見光(λ>420nm)下TiO2/PW12-Al(HPB)薄膜的時間分辨光響應;
(c)在各種功率光強度下{TiO2}5/{PW12}6-Al(HPB)薄膜的光電流密度;
(d)該電極中電子轉移示意圖。
圖19. POMs基光敏劑的理論計算：POMs共軛Zn(II)-卟啉染料。
(a)染料1-6的結構;
(b)染料2-6的電子密度差異圖。
圖20. DSSC的結構示意圖。
圖21. POMs在DSSCs電解質材料中的應用。
(a)基于POM1-Cu-phen，POM2-Cu-phen和Cu-phen氧化還原對電解質的DSSCs的光電流密度-電壓曲線;
(b)具有POM1/POM2-Cuphen氧化還原對的電解質的DSSCs內部工作原理示意圖。
展開 聚合物太陽電池近年取得了不斷突破，很大程度得益于新型有機半導體分子和聚合物的快速發展。有機分子和聚合物通過結構裁剪可大范圍調制其光、電和薄膜性質，從而實現區別于傳統無機太陽電池的多功能性的太陽電池器件，例如可見區透過，近紅外區高光譜響應度的半透明器件和全光譜吸收的疊層器件等。其中，發展新型近紅外吸光的有機半導體材料（帶隙Eg< 1.4 eV）成為領域關注熱點。
浙江大學高分子科學與工程學系的有機半導體實驗室已發展一系列基于非稠合或稠合骨架的近紅外電子受體分子。最近，該實驗室的李昌治研究員和陳紅征教授等設計發展了一類近紅外電子受體分子，通過非對稱橋連基團的區域異構化和調控氟原子取代數目，改善分子共軛結構和軌道能級，獲得了性能優異的近紅外電子受體分子并成功建構響應波長可達1000 nm光譜的高效率聚合物太陽電池。通過進一步與吸光帶邊800 nm的前電池搭配，制備得到高效率聚合物疊層太陽電池。研究成果以“Near-Infrared Electron Acceptors with Fluorinated Regioisomeric Backbone for Highly Efficient Polymer Solar Cells”（具有氟化骨架異構的近紅外電子受體實現高效聚合物太陽電池）為題，發表在Advanced Materials（《先進材料》）上。
圖. 近紅外吸光電子受體分子設計與合成、吸光和熒光譜圖、疊層太陽能電池器件結構、能級和光伏特性曲線
這一成果從分子骨架結構設計入手，通過探索理解其分子結構-薄膜特性-器件性能之間的構效關系，為發展近紅外電子受體分子和近紅外區高光譜響應度的聚合物太陽電池提供了新方法和新途徑。工作得到了華南理工大學葉軒立教授和香港中文大學路新慧教授在光學模擬和薄膜形貌測試方面的支持。
展開 n-OS小分子受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點，因而優化p-OS的分子結構來調節全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網絡結構，是提高全小分子有機太陽電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結構引入p-OS分子結構中，合成了兩個p-OS分子SM1和SM2（分子結構見圖1）。基于SM1:IDIC的全小分子有機太陽電池的效率達到10.11%（Chem Mater. 2017,29,7543–7553.），這是全小分子非富勒烯有機太陽電池效率首次突破10%。
在基于噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中，硅烷基側鏈可以有效地降低聚合物的HOMO能級，增強吸收和提高空穴遷移率。為了進一步提升全小分子有機太陽電池的光伏性能，他們最近又將硅烷基噻吩為側鏈的二維BDT單元引入到p-OS小分子給體材料中，合成了兩個新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22（分子結構見圖1），并研究了不同末端受體單元對材料物理化學性質及其光伏性能的影響。基于H22：IDIC的全小分子有機太陽電池的光電轉換效率進一步提升到10.29%。這一結果最近發表在《先進材料》（Adv.Mater.,2018,30, 1706361.）上。
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染料敏化太陽電池的最新內容
近日，Cell Press旗下的能源旗艦期刊 Joule 在線發表了武漢大學閔杰研究員課題組的最新研究成果。
該研究發展了一種新型的單組份共軛嵌段聚合物材料，為高效且穩定的聚合物太陽電池開發提供了新的材料體系設計思路。
論文題目為“A conjugated donor-acceptor block copolymer
近年來，有機太陽電池（OSCs）發展迅速，其能量轉換效率（PCE）已超過18%，但仍落后于硅基和鈣鈦礦太陽電池。這主要是因為有機太陽電池中存在較大的能量損失，特別是非輻射復合能量損失。因此，探索降低非輻射復合能量損失的新方法具有重要的研究意義。
近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室段春暉教授課題組聯合武漢工程大學劉治田教授和高翔副教授
由于具有質輕、柔性、低成本以及適用于卷對卷大面積印刷加工等一系列優勢，有機太陽電池在便攜式供電設備方面具備很大的應用潛力。但相對于其他基于無機材料的太陽電池，有機太陽電池的能量轉換效率還較低，其重要限制因素之一是存在較大的能量損失。為了降低其能量損失，大量研究集中在新材料的設計開發以及相應物理機制的探索上。而另一方面，構建串聯疊層器件是減少能量損失從而提高光電轉化效率的一種有效策略
在過去幾年中，受益于新型非富勒烯受體和與之匹配的寬帶隙給體的開發，有機太陽電池的性能得到了突飛猛進的發展，其能量轉換效率（PCE）已成功突破18%。這使得人們越來越憧憬著有機太陽電池技術的產業化應用。對于這項技術未來的產業化應用而言，除了PCE要求高以外，有機太陽電池的制備成本和工作壽命也是同等重要的條件。
南昌大學/江西師范大學陳義旺教授課題組提出了采用一種非潤濕的油溶性PEDOT（Oil-PEDOT）做為空穴傳輸層制得高性能的柔性鈣鈦礦太陽電池。研究發現，Oil-PEDOT有著很好的結晶性和可印刷性，在非摻雜的狀態下有良好的導電性和電荷傳輸性能，在調控了大面積柔性鈣鈦礦的結晶質量后，器件的機械穩定性得到很大提升。
南昌大學/江西師范大學陳義旺教授課題組提出了采用一種非潤濕的油溶性PEDOT（Oil-PEDOT）做為空穴傳輸層制得高性能的柔性鈣鈦礦太陽電池。研究發現，Oil-PEDOT有著很好的結晶性和可印刷性，在非摻雜的狀態下有良好的導電性和電荷傳輸性能，在調控了大面積柔性鈣鈦礦的結晶質量后，器件的機械穩定性得到很大提升。
鈣鈦礦由于其優異的光電性能和結晶性在光伏器件中得到了廣泛應用
有機太陽電池（OSCs）由于其結構簡單、質量輕、可大面積制備等優點，受到了廣泛的關注。近年來，隨著新型光敏活性層材料的快速發展和對活性層形貌調控的深入理解，OSCs的能量轉換效率（PCE）不斷取得突破。其中，活性層形貌調控對于提升器件效率至關重要。然而，基于本體異質結（BHJ）結構的活性層形貌較難調控，最佳形貌通常處于亞穩態且受熱力學控制，因此，隨著時間的遷移以及外部條件的變化
本體異質結（BHJ）的聚合物太陽能電池（PSC）由于其具有低毒性、重量輕、半透明以及可溶液加工制備大面積柔性器件等諸多獨特的優勢備受關注。近年來，隨著新型有機光伏材料的迅猛發展，尤其是得益于稠環電子受體材料的開發，單結聚合物太陽能電池取得了前所未有的突破，使得單節太陽能電池的效率（PCE）超過了18%。因此，聚合物太陽能電池顯示出了廣闊的發展前景和巨大的商業應用潛力
聚合物太陽電池近年取得了不斷突破，很大程度得益于新型有機半導體分子和聚合物的快速發展。有機分子和聚合物通過結構裁剪可大范圍調制其光、電和薄膜性質，從而實現區別于傳統無機太陽電池的多功能性的太陽電池器件，例如可見區透過，近紅外區高光譜響應度的半透明器件和全光譜吸收的疊層器件等。其中，發展新型近紅外吸光的有機半導體材料（帶隙Eg< 1.4 eV）成為領域關注熱點。
浙江大學高分子科學與工程學系的有機半導體實驗室已發展一系列基于非稠合或稠合骨架的近紅外電子受體分子
【前言】
硒化銻和硫化銻等無機V2-VI3族化合物半導體材料展現了巨大的光伏應用潛力，其中，硒化銻（Sb2Se3）具有1）單一物相結構，2）合適的光學帶隙（1.1-1.3eV），3）高吸光系數，4）低毒性，5）高元素豐度等優良特性，被證明是一種優異的吸光層材料。研究表明，Sb2Se3晶體由帶狀的(Sb4Se6)n構成，(Sb4Se6)n內部由Sb-Se共價鍵結合
