【能源】用一種藍染料實現多種色彩半透明染料敏化太陽能電池

2021-01-19 X-MOL資訊

染料敏化太陽能電池經過20多年的發展，目前已經實現在標準AM1.5G太陽光輻照下認證光電功率轉化效率（PCE）12.3%。這種太陽能電池還可以非常高效地利用散射光，在室內光下的PCE已經超過30%，優於傳統薄膜光伏，有機太陽能電池，以及含鉛鈣鈦礦太陽能電池。染料敏化太陽能電池的大面積製備技術漸趨成熟。採用低成本的絲網印刷技術，染料敏化太陽能電池單個模組的面積已經超過一平方米。從商業角度來看，彩色半透明染料敏化太陽能電池非常適合分散式能源供應，可以應用於玻璃幕牆，天窗以及溫室。2014年，瑞士洛桑市的SwissTec會議中心的一面玻璃幕牆安裝了由瑞士Solaronix公司生產的200平方米的半透明多色彩的染料敏化太陽能電池模組。這些太陽能電池不僅提供2000kWh的年發電量，而且使建築物美觀。2017年，奧地利格拉茨市的Science Tower上安裝了由瑞士H.Glass公司生產的1000平方米的半透明紅色的染料敏化太陽能電池模組為建築提供電能。

由於人類眼睛對綠光敏感，綠色半透明染料敏化太陽能電池具有更好的透明性和美觀。目前綠色染料敏化太陽能電池通常採用鋅卟啉染料。但這類染料的生產製備過程使用毒性高的原材料，產物的產率低且提純難，使生產成本很高。並且，基於綠色鋅卟啉染料的太陽能電池結合離子液體電解質的功率轉化效率低，穩定性差，不適於戶外實際應用。近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Michael Grätzel教授和曹禕明博士聯合浙江大學王鵬教授的研究團隊提出了用一種藍染料結合離子液體電解質，實現高效穩定的綠色半透明染料敏化太陽能電池。並且通過調節TiO2薄膜或者電解質層的厚度，使半透明電池的顏色從黃綠色到綠色到青色連續調控。基於藍色染料的穩定綠色半透明電池，在AM1.5G 100 mW cm-2太陽光照下，器件效率可以高達8%，比經典的鋅卟啉染料YD2-o-C8器件提高29%。相關論文發表在Advanced Materials 雜誌上，第一作者為任埡萌（Yameng Ren）博士。

在該工作中，研究者基於此前浙江大學王鵬教授團隊精心開發的藍色染料R6（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2405-2408）染色2微米厚度的TiO2介孔薄膜，結合黃色的碘離子/碘三離子氧化還原電對離子液體電解質，得到綠色的半透明染料敏化太陽電池。通常，染料敏化太陽能電池採用紅色、綠色或者藍色的染料得到的電池呈現相應的紅色、綠色或者藍色。該工作首次報導藍色染料結合黃色電解質實現綠色染料敏化太陽能電池。通過增加R6敏化TiO2薄膜厚度，電池的顏色可以從黃綠色變到綠色，再變到青色。通過減少電解質層的厚度，電池的顏色從黃綠色趨向綠色。如果用紅色的有機染料Y123或者綠色的鋅卟啉染料YD2-o-C8，通過增加敏化TiO2薄膜的厚度，半透明電池的顏色只能從淺紅色或淺綠色變成相應的深紅色或深綠色。與基於YD2-o-C8的半透明染料敏化太陽電池相比，基於藍色染料R6的綠色半透明染料敏化電池具有較高的PCE，並且在一個太陽光照下或80oC暗處熱老化下長達1000小時具有明顯優越的穩定性。老化後，基於R6的綠色電池的顏色幾乎不發生變化，但基於YD2-o-C8的綠色電池顏色變淺。該工作為染料敏化太陽能電池領域的染料開發和器件色彩調控研究提供了新思想。染料敏化太陽能電池的優點之一是其色彩的豐富性。然而，在過去的20多年裡，染料敏化太陽電池的色彩很少被研究，而且新染料的開發者通常忽視了染料在器件中的色彩表現。該工作的發表鼓勵該領域的研究者重視器件色彩的研究，為染料敏化太陽能電池未來的商業化應用提供數據參考。

A Blue Photosensitizer Realizing Efficient and Stable Green Solar Cells via Color Tuning by the ElectrolyteYameng Ren, Yiming Cao, Dan Zhang, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Peng Wang, Michael GrätzelAdv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000193


https://www.x-mol.com/university/faculty/49771


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