染料敏化太阳能电池之父，再发Nature！

染料敏化太阳能电池(DSCs)，利用吸附在纳米晶介孔二氧化钛(TiO₂)薄膜表面的光敏剂，连同电解质或固体电荷传输材料，将光转换为电能。它们具有许多特点，包括透明、多色和低成本制造，并被部署在玻璃立面、天窗和温室等位置。近年来敏化剂、氧化还原介质和器件结构的发展提高了DSCs的性能，特别是在环境光条件下。

为了进一步提高其效率，关键是控制TiO₂表面染料分子的组装，而这有利于电荷的产生。

在此，来自瑞典乌普萨纳大学的Anders Hagfeldt & 瑞士洛桑联邦理工学院的Yiming Cao & Michael Grätzel等研究者报道了在TiO₂表面预吸附一层羟肟酸衍生物的路线，以改善两种新设计的共吸附增敏剂的染料分子填料和光伏性能，这种增敏剂可以在整个可见区域定量地收集光。相关论文以题为“Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells”于2022年10月26日发表在Nature上。

为了提高染料敏化太阳能电池(DSCs)的光伏性能，需要开发具有高吸收系数和横跨整个可见域的广谱响应的敏化剂。然而，由于分子间强烈的π-π相互作用，这种类型的敏化剂倾向于在二氧化钛(TiO₂)表面聚合，导致光激发敏化剂的猝灭和PV性能的恶化。目前，全色染料的增敏剂与TiO₂表面的窄光谱响应染料结合，可以提高光电流和光电压，从而获得性能更好的器件。然而，在某些情况下，协敏化策略被证明是无效的。识别用于高效共敏太阳能电池的染料，需要艰苦的研究，包括分子设计、合成和筛选。为了进一步发展DSCs，了解和控制两种敏化剂分子形成的单分子层的吸附和自组装及其性质至关重要。

在这里，研究者介绍了两种新的敏化剂(图1a)互补可见光域光吸收。研究者测量了它们在TiO₂薄膜表面的共吸附动力学，发现两种染料在TiO₂上初始快速吸附后，随着染色时间的增加，在短波长域吸收光的共敏剂逐渐从TiO₂表面解吸。通过对吸附在氧化铝(Al₂O₃)表面的染料的光致发光测量，得到的分子组装不那么密集和无序，表现出较短的荧光寿命和较低的荧光量子产率。

重要的是，研究者发现在共敏化之前将2-(4-丁氧基苯基)-N-羟乙酰胺(BPHA)分子吸附在TiO₂表面(图1a)会延缓染料分子的吸收，抑制共敏化剂的解吸，从而获得更好的填充密度和增加染料单分子层的有序度。这反过来又增加了所吸附的敏化剂的荧光寿命和荧光量子产率。结果，DSCs的光电流和功率转换效率(PCE)得到了显著提高。

研究发现，在标准空气质量1.5全球模拟阳光下，表现最佳的共敏太阳能电池的功率转换效率(PCE)为15.2%(独立证实为15.2%)，并表现出长期运行稳定性(500小时)。在较宽的环境光强度范围内，具有较大活性面积(2.8 cm²)的器件表现出28.4%到30.2%的PCE，且具有较高的稳定性。该的发现为方便地获得高性能的DSCs铺平了道路，并为使用环境光作为能源的低功率电子设备的电源和电池替换提供了广阔的应用前景。

图1. BPHA预吸附剂的分子结构及其对TiO₂表面染料组合的影响

图2. BPHA预吸附剂对装置性能的影响

图3. DSCs在环境光照条件下的性能

作者简介

米夏埃尔•格雷策尔（Michael Grätzel），瑞士国籍，物理化学家。1944年出生于德国多夫歇姆尼茨。1968年在德国柏林自由大学获化学硕士学位，1971年在柏林工业大学获物理化学博士学位，1972—1974年在美国圣母大学进行博士后研究。1977年至今一直在瑞士洛桑理工学院工作，现任瑞士洛桑理工学院界面与光子学实验室主任、教授。2012年当选为欧洲科学院院士，2014年当选为德国国家科学院院士，2016年当选为美国国家发明家学院会员，2019年当选为瑞士工程科学院院士，2021年当选为中国科学院外籍院士。

格雷策尔教授主要开展染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和太阳燃料创新研究并取得卓越成就，被誉为“染料敏化太阳能电池之父”，开创了介观系统中能量和电荷转移反应研究及其在能量转换系统中的应用，并取得一系列重大科学突破，发明了染料敏化太阳能电池（被称为“Grätzel电池”）；此外，在染料敏化太阳能电池方面的工作，促成了钙钛矿太阳能电池的迅速发展，10年内就以超过25%的光电转换效率超越了多晶硅太阳能电池的转换效率；引领了介观系统在太阳燃料领域的应用。迄今已在Nature、Science等期刊发表论文1650多篇，总引用43万多次，单篇最高引用超过3万次，谷歌学术（Google Scholar）h指数288；近期，斯坦福大学主导的一项科学家排名将格雷策尔教授被列为各领域10万名顶级科学家中的第1名。格雷策尔教授获授权专利50多项。获国际知名奖励30余项，包括欧洲千禧年创新奖（2000）、英国皇家化学会法拉第奖章（2001）、意大利埃尼-依达尔科学环境奖（2003）、以色列海法理工学院哈维科学技术奖（2008）、爱因斯坦世界科学奖（2012）、以色列萨姆森总理替代燃料创新奖(2014)、沙特阿拉伯费萨尔国王国际科学奖（2015）、瑞士化学学会巴拉塞尔士奖和奖章（2016）、英国皇家化学学会百年奖（2016）、俄罗斯全球能源奖（2017）、德国化学学会奥古斯特•冯•霍夫曼纪念章（2018）、德国迪尔斯-普朗克奖章和讲座（2020）等。

文献信息

Ren, Y., Zhang, D., Suo, J. et al. Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05460-z

原文链接：

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

http://www.casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/wjysmd/202201/t20220126_4823687.html

https://sc.panda321.com/citations?user=B0h47WAAAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao

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