註：文末有研究團隊簡介
p-型染料敏化太陽能電池可以用來組裝疊層電池。這種電池是將n型和p型材料分別作為電池的兩個電極，並且在其表面分別吸附相應的敏化染料。這樣，一方面可以增大整個電池對太陽光的吸收效率，另一方面可以代替昂貴的金屬鉑對電極。在疊層電池中，電壓是兩個電極費米能級之差，而電流則取決於兩個半電池中最小電流的貢獻者。p型染料敏化太陽能電池的理論效率可以和n型電池相當，而且理論計算表明，疊層電池的轉換效率可以達到43%。但是目前p型電池的光電轉換效率遠遠低於n型，因此極大程度地限制了疊層電池的開發。因此，許多課題組正致力於p型電池光電性能的提高。
作為一種可以替代傳統矽電池的新型光伏器件，n型染料敏化太陽能電池已經達到14.10%的光電轉換效率，而與之對應的p型染料敏化太陽能電池也已達到2.51%，但是二者都使用了乙腈作為電解質溶劑。乙腈作為有機溶劑，具有易揮發、有毒、不環保的缺點，這對於構建綠色能源產業來說是一個弊端。水是一種清潔、廉價、豐富的環境友好原料，用它來代替乙腈作為電解質溶劑可以得到什麼樣的結果呢？近日，武漢理工大學向萬春副研究員聯合澳大利亞莫納什大學研究團隊通過將水作為電解質溶劑，在世界上首次成功製備了p型水系染料敏化太陽能電池。這是繼他們開發世界上轉換效率最高的n型水系染料敏化太陽能電池所取得的一系列突破性研究成果（Energy & Environ. Sci, 2013, 6,121-127；Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 6933-6937; ChemSusChem, 2015, 8, 3704-3711）之後的又一重要成果。
圖1 PMI-6T-TPA和乙二胺鈷配合物的分子結構式
武漢理工大學聯合莫納什大學團隊採用p型明星染料PMI-6T-TPA作為吸光材料，以及乙二胺鈷配合物（[Co(en)3]2+/3+）作為氧化還原電對。眾所周知，研究水體材料離不開其pH值的變化研究。在這項工作中，他們通過改變電解質的pH值（從8到11，在這個範圍內NiO工作電極可以穩定存在），研究了電池光電性能的變化，發現pH值的增加會導致電池開路電壓的降低和短路電流的上升。這是由於pH值的改變會影響NiO費米能級的位置和電解質的氧化還原電位。當pH=10時，器件可以達到最大的光電轉換效率1.61%（AM 1.5G），該結果比使用同類體系但是有機溶劑的電池效率（1.30%）高。在低光強下（10 mW cm-2）的光電轉換效率可達2.11%，這說明質量傳輸或許是限制高光強下性能提升的主要原因。由於使用的染料PMI-6T-TPA為疏水材料，他們在電解質中加入了N-甲基苯並咪唑來增加水電解質在工作電極表面的浸潤性，從而提高電荷在該界面處的傳輸和轉移，減小電荷複合。
圖2 不同pH值的水電解質組裝的p型太陽能電池的(a) J-V曲線和(b) IPCE曲線
此外，他們還對該類電池的穩定性進行了初步的研究。結果發現，開路電壓隨著時間延長而增大，但是短路電流卻在減小。器件可以在最初的10天時間穩定在初始效率的90%以上，但是在30天後就表現出較為明顯的衰減。這可能是由於電解質中游離的乙二胺（來自於氧化還原電對的分解）會溶解掉部分NiO，從而形成更為穩定的[Ni(en)3]2+配合物。因此尋找和開發出更適合於p型水系染料敏化太陽能電池的氧化還原電對，當是今後工作的研究重點。
這一成果近期發表在《Green Chemistry》上，文章的第一作者和通訊作者是武漢理工大學向萬春副研究員，另一通訊作者為其博士後期間的合作導師Leone Spiccia教授。
該論文作者為：Wanchun Xiang*, Joshua Marlow, Peter Bäuerle, Udo Bach and Leone Spiccia*
原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：
Aqueous p-type dye-sensitized solar cells based on a tris(1,2-diaminoethane)cobalt(II)/(III) redox mediator
Green Chem., 2016, 18, 6659-6665, DOI: 10.1039/c6gc02001a
向萬春博士簡介
向萬春，武漢理工大學副研究員。2010年於中國科學院化學研究所獲得博士學位，2011至2014年在澳大利亞莫納什大學工作，2014年7月起就職於武漢理工大學矽酸鹽建築材料國家重點實驗室。
研究領域是面向新型光電材料的製備、性能以及在有機-無機光伏器件等中的應用。在相關領域發表SCI論文20餘篇，包括以通訊作者發表的Energy & Environ. Sci.、ChemSusChem.、Green Chem.、Chem. Commun.、Angew. Chemie. In. Ed.等。獲授權發明專利2項。研究成果曾被Energy & Environ. Sci.選為封面文章和熱點文章等進行專題報導。共主持基金6項。
http://www.x-mol.com/university/faculty/35049