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染料敏化太陽能電池(DSCs)，利用吸附在納米晶介孔二氧化鈦(TiO₂)薄膜表面的光敏劑，連同電解質或固體電荷傳輸材料，將光轉換為電能。它們具有許多特點，包括透明、多色和低成本制造，并被部署在玻璃立面、天窗和溫室等位置。近年來敏化劑、氧化還原介質和器件結構的發展提高了DSCs的性能，特別是在環境光條件下。

為了進一步提高其效率，關鍵是控制TiO₂表面染料分子的組裝，而這有利于電荷的產生。

在此，來自瑞典烏普薩納大學的Anders Hagfeldt & 瑞士洛桑聯邦理工學院的Yiming Cao & Michael Gr?tzel等研究者報道了在TiO₂表面預吸附一層羥肟酸衍生物的路線，以改善兩種新設計的共吸附增敏劑的染料分子填料和光伏性能，這種增敏劑可以在整個可見區域定量地收集光。相關論文以題為“Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells”于2022年10月26日發表在Nature上。

為了提高染料敏化太陽能電池(DSCs)的光伏性能，需要開發具有高吸收系數和橫跨整個可見域的廣譜響應的敏化劑。然而，由于分子間強烈的π-π相互作用，這種類型的敏化劑傾向于在二氧化鈦(TiO₂)表面聚合，導致光激發敏化劑的猝滅和PV性能的惡化。目前，全色染料的增敏劑與TiO₂表面的窄光譜響應染料結合，可以提高光電流和光電壓，從而獲得性能更好的器件。然而，在某些情況下，協敏化策略被證明是無效的。識別用于高效共敏太陽能電池的染料，需要艱苦的研究，包括分子設計、合成和篩選。為了進一步發展DSCs，了解和控制兩種敏化劑分子形成的單分子層的吸附和自組裝及其性質至關重要。

在這里，研究者介紹了兩種新的敏化劑(圖1a)互補可見光域光吸收。研究者測量了它們在TiO₂薄膜表面的共吸附動力學，發現兩種染料在TiO₂上初始快速吸附后，隨著染色時間的增加，在短波長域吸收光的共敏劑逐漸從TiO₂表面解吸。通過對吸附在氧化鋁(Al₂O₃)表面的染料的光致發光測量，得到的分子組裝不那么密集和無序，表現出較短的熒光壽命和較低的熒光量子產率。

重要的是，研究者發現在共敏化之前將2-(4-丁氧基苯基)-N-羥乙酰胺(BPHA)分子吸附在TiO₂表面(圖1a)會延緩染料分子的吸收，抑制共敏化劑的解吸，從而獲得更好的填充密度和增加染料單分子層的有序度。這反過來又增加了所吸附的敏化劑的熒光壽命和熒光量子產率。結果，DSCs的光電流和功率轉換效率(PCE)得到了顯著提高。

研究發現，在標準空氣質量1.5全球模擬陽光下，表現最佳的共敏太陽能電池的功率轉換效率(PCE)為15.2%(獨立證實為15.2%)，并表現出長期運行穩定性(500小時)。在較寬的環境光強度范圍內，具有較大活性面積(2.8 cm²)的器件表現出28.4%到30.2%的PCE，且具有較高的穩定性。該的發現為方便地獲得高性能的DSCs鋪平了道路，并為使用環境光作為能源的低功率電子設備的電源和電池替換提供了廣闊的應用前景。

圖1. BPHA預吸附劑的分子結構及其對TiO₂表面染料組合的影響

圖2. BPHA預吸附劑對裝置性能的影響

圖3. DSCs在環境光照條件下的性能

作者簡介

米夏埃爾?格雷策爾（Michael Gr?tzel），瑞士國籍，物理化學家。1944年出生于德國多夫歇姆尼茨。1968年在德國柏林自由大學獲化學碩士學位，1971年在柏林工業大學獲物理化學博士學位，1972—1974年在美國圣母大學進行博士后研究。1977年至今一直在瑞士洛桑理工學院工作，現任瑞士洛桑理工學院界面與光子學實驗室主任、教授。2012年當選為歐洲科學院院士，2014年當選為德國國家科學院院士，2016年當選為美國國家發明家學院會員，2019年當選為瑞士工程科學院院士，2021年當選為中國科學院外籍院士。

格雷策爾教授主要開展染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池和太陽燃料創新研究并取得卓越成就，被譽為“染料敏化太陽能電池之父”，開創了介觀系統中能量和電荷轉移反應研究及其在能量轉換系統中的應用，并取得一系列重大科學突破，發明了染料敏化太陽能電池（被稱為“Gr?tzel電池”）；此外，在染料敏化太陽能電池方面的工作，促成了鈣鈦礦太陽能電池的迅速發展，10年內就以超過25%的光電轉換效率超越了多晶硅太陽能電池的轉換效率；引領了介觀系統在太陽燃料領域的應用。迄今已在Nature、Science等期刊發表論文1650多篇，總引用43萬多次，單篇最高引用超過3萬次，谷歌學術（Google Scholar）h指數288；近期，斯坦福大學主導的一項科學家排名將格雷策爾教授被列為各領域10萬名頂級科學家中的第1名。格雷策爾教授獲授權專利50多項。獲國際知名獎勵30余項，包括歐洲千禧年創新獎（2000）、英國皇家化學會法拉第獎章（2001）、意大利埃尼-依達爾科學環境獎（2003）、以色列海法理工學院哈維科學技術獎（2008）、愛因斯坦世界科學獎（2012）、以色列薩姆森總理替代燃料創新獎(2014)、沙特阿拉伯費薩爾國王國際科學獎（2015）、瑞士化學學會巴拉塞爾士獎和獎章（2016）、英國皇家化學學會百年獎（2016）、俄羅斯全球能源獎（2017）、德國化學學會奧古斯特?馮?霍夫曼紀念章（2018）、德國迪爾斯-普朗克獎章和講座（2020）等。

文獻信息

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

原文鏈接：

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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染料敏化太陽能電池之父，再發Nature！

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