染料敏化太阳能电池最新进展 染料敏化太阳能电池实现新的功率转换效率记录

介观染料敏化太阳能电池（DSC）由布莱恩·奥里根和迈克尔·格拉策尔于20世纪90年代发明，以后者的名字命名 - 举世闻名的格拉策尔电池。DSC通过光敏剂将光转化为电能 - 染料化合物吸收光并将电子注入氧化纳米晶体阵列，随后作为电流收集。

在DSC中，光敏剂被附着（“吸附”）到纳米晶介孔二氧化钛薄膜的表面，这些薄膜吸收了氧化还原活性电解质或固体电荷传输材料 - 整个设计旨在通过将电子从光敏剂移动到设备或存储单元等电输出来产生电能。

DSC是透明的，可以低成本地制造成多种颜色，并且已经用于天窗，温室以及玻璃幕墙，例如装饰瑞士科技会议中心的玻璃幕墙。此外，轻量级柔性版本的DSC现在大规模商业化销售，用于耳机和电子阅读器等便携式电子设备的电力，以及通过使用环境光在物联网中供电。

光敏剂和DSC其他组件的最新进展改善了DSC在太阳光和环境光条件下的性能。但提高DSC效率的关键在于了解和控制染料分子在二氧化钛纳米颗粒薄膜表面的组装，有利于电荷的产生。

一种方法是共敏化，这是一种化学制造方法，其生产具有互补光学吸收的两种或多种不同染料的DSC。共敏化已将DSC的功率转换效率推向了世界纪录的值，因为它可以想象地结合可以吸收来自整个光谱的光的染料。尽管如此，共敏化在某些情况下也被证明是无效的，因为找到能够实现高光吸收和功率转换效率的正确染料对需要艰苦的分子设计，合成和筛选。

现在，来自EPFL的格拉策尔和安德斯·哈格费尔特小组的科学家已经开发出一种改善两种新设计的光敏剂染料分子的包装的方法，以提高DSC的光伏性能。总之，新的光敏剂可以在整个可见光域中定量地收集光。新技术涉及在纳米晶介孔二氧化钛表面上预吸附氢肟酸衍生物的单层。这减缓了两种敏化的吸附，从而能够在二氧化钛表面形成有序且密集的敏化剂层。

通过这种方法，该团队首次能够在标准的全球模拟阳光下开发出功率转换效率为15.2%的DSC，并测试了超过500小时的长期运行稳定性。通过将活动面积增加到2.8厘米2，在很宽的环境光强度范围内，功率转换效率跨越28.4%-30.2%，并具有出色的稳定性。

该研究发表在《自然》杂志上。

作者写道：“我们的研究结果为轻松获得高性能DSC铺平了道路，并为使用环境光作为能量源的低功耗电子设备的电源和电池替代应用提供了广阔的前景。

更多信息：Yameng Ren等，氢肟酸预吸附提高了共敏化太阳能电池的效率，自然（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-05460-z

期刊信息：自然