有機(jī)太陽能電池

1、<<深亞微米集成電路工藝技術(shù)報告 >>班級:學(xué)號:有機(jī)太陽能電池太陽能是一種取之不盡用之不竭的可再生資源 , 不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染 , 為 了能充分利用這種天然能源 , 人們研制和開發(fā)了太陽能電池 . 太陽能電池的工作 原理是利用光敏材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換 . 由于傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體太陽能 電池制備工藝精細(xì) , 造價昂貴 , 不利于大規(guī)模推廣 . 正因為如此 , 人們便開始尋 求價格更加低廉、 適于大規(guī)模推廣的新型太陽能電池 , 而有機(jī)太陽能電池便應(yīng)運 而生 . 與無機(jī)半導(dǎo)體相比 , 有機(jī)半導(dǎo)體的制造成本更低 , 而且有機(jī)物太陽能電池 的制備工藝簡單 , 材料價廉易得

2、 , 因此有機(jī)太陽能電池已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱 點 .1 有機(jī)太陽能電池簡介1.1 有機(jī)太陽能電池基本原理太陽能電池的基本原理是基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)或金屬半導(dǎo)體界面附近的光伏 效應(yīng) , 所以又稱為光伏電池 . 當(dāng)光子入射到光敏材料時 , 激發(fā)材料內(nèi)部產(chǎn)生電子 和空穴對 , 在靜電勢能作用下分離 , 然后被接觸電極收集 , 這樣外電路就有電流 通過 . 有機(jī)太陽能電池利用的也是光伏效應(yīng) . 在太陽光的照射下有機(jī)材料吸收光 子 , 如果該光子的能量大于有機(jī)材料的禁帶寬度 E, 就會產(chǎn)生激子 (電子空穴對 . 激子的結(jié)合能大約為 0.21.0 eV , 高于相應(yīng)的無機(jī)半導(dǎo)體激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴 對的結(jié)合能

3、, 因此激子不會自動解離 . 兩種具有不同電子親和能和電離勢的材料 相結(jié)觸 , 接觸界面處產(chǎn)生接觸電勢差 , 可以驅(qū)動激子解離 . 單純由一種純有機(jī)物 夾在兩層金屬電極之間制成的肖特基電池效率很低 , 后來將 p 型半導(dǎo)體材料 (施 主 Donor 和 n 型半導(dǎo)體材料 (受主 Acceptor 結(jié)合 , 發(fā)現(xiàn)兩種材料界面處激子的解 離非常有效 , 這就是通常所說的 p-n 異質(zhì)結(jié)型太陽能電池 .一般用來評價太陽能電池的指標(biāo)有 :開路電壓 ( Voc 、短路電流密度 ( Jsc 、 填充因子 ( FF 、光電轉(zhuǎn)換 ( IPCE、能量轉(zhuǎn)換效率 (。本文中我們主要效率 用 能量轉(zhuǎn)換效率、光電轉(zhuǎn)換效

4、率來衡量太陽能電池性能的優(yōu)劣。開路電壓定義為電池在開路條件下的輸出電壓 , 此時電池的輸出電流為零。 短路電流密度定義為電池在短路條件下單位面積工作電流, 此時電池的輸出 電壓為零。填充因子定義為電池最大輸出功率與開路光電壓與短路光電流乘積的比值。 在電流 -電壓(I-V 曲線上,填充因子是兩個矩形面積之比。實用太陽能電池的 填充因子應(yīng)該在 0.6-0.75.光電轉(zhuǎn)化效率,即入射單色光子到電子轉(zhuǎn)化效率(IPCE ,定義為單位時間 內(nèi)轉(zhuǎn)移到外電路中的電子數(shù)與單位時間入射的單色光子數(shù)之比。 其數(shù)學(xué)表達(dá)式如 下。IPCE=1240Jsc /(J s c 為短路電流密度, 為波長, 為光子通量,所使用

5、的單位分別為 mA/cm2,nm 和 mWcm 2.能量轉(zhuǎn)換效率(定義為太陽能電池的最大功率輸出與入射太陽光的能量 (Pin 之比。 = P m a x / Pin = J s c V o c FF / Plight1.2 有機(jī)太陽能電池分類有機(jī)太陽能電池按照器件結(jié)構(gòu)可基本分為 3類 : 單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池、 異 質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池、染料敏化太陽能電池 , 而異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池又包括p-n 異質(zhì)結(jié)、混合異質(zhì)結(jié)、體異質(zhì)結(jié)和級聯(lián)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池 .1.2.1 單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池是研究最早的有機(jī)太陽能電池 , 其結(jié)構(gòu)為 : 玻璃 /電 極 /有機(jī)層 /電極 (圖 a. 電

6、極一般都是氧化銦錫 (ITO和功函數(shù)低的金屬 Al, Ca, Ag,Mg 等 . 對于單層結(jié)構(gòu)的電池來說 , 其內(nèi)建電場源于兩個電極的功函數(shù)差或 者金屬與有機(jī)材料接觸而形成的肖特基勢壘 . 一般常用的有機(jī)光伏材料均可被 制成此類太陽能電池 , 如酞菁 (phthalocyanine、 卟啉 (porphyrin、 菁染料 (cyanine、 導(dǎo)電聚合物等有機(jī)材料 . 由于電子與空穴在同一材料中傳輸 , 因而復(fù)合幾率較大 , 所以單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率低 . 實驗室中以聚合物或有機(jī)分子 材料制備的此類電池效率最高為 4% . 研究發(fā)現(xiàn) , 對有機(jī)材料進(jìn)行 O 2, H 2, I 2摻

7、 雜可提高其電導(dǎo)率 , 通過表面等離子極化 (SPP激發(fā)技術(shù)提高光吸收量 , 從而提 高電池的光電轉(zhuǎn)換效率 .1.2.2 異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池包括 p-n 異質(zhì)結(jié)、 混合異質(zhì)結(jié)、 體異質(zhì)結(jié)和級聯(lián)結(jié)構(gòu) 有機(jī)太陽能電池 .p-n 異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)為 : 玻璃 /陽極 /給體材料 /受體材料 /金屬電 極 (圖 b. 由于此類電池中有給體 -受體異質(zhì)結(jié)的存在 , 所以較單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能 電池的光電轉(zhuǎn)換效率要高 , 因此成為后來研究的重點 . 該結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池 由 Tang 在 1986年首次報道 . 他認(rèn)為電池的光伏性能是由兩種有機(jī)材料形成的界 面決定 , 而非電

8、極 /有機(jī)材料的接觸界面 . 界面區(qū)域是光生電荷的主要產(chǎn)區(qū) , 電極 僅僅提供歐姆接觸而已 . 與單質(zhì)結(jié)電池相比 , p-n 異質(zhì)結(jié)電池有許多優(yōu)勢 : 對有機(jī)材料的合理選擇可 以制造出寬光譜范圍響應(yīng)的器件 . 各種染料的電子施主 -受主相互作用使得光生 載流子的高產(chǎn)率成為可能 . 但由于有效的電荷分離只發(fā)生在給受體界面處 , 電荷 分離被限制在電池較小的區(qū)域內(nèi) , 從而使吸收光子的數(shù)量受到限制 . 所以此類有 機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率仍然較低 .為了擴(kuò)大給受體接觸面積 , 獲得更多的光生載流子 , 學(xué)者們以聚合物 MEH-PPV 為給體、 C60 衍生物 PCBM 作為受體構(gòu)造了混合異質(zhì)結(jié)有

9、機(jī)太陽能 電池 . 其結(jié)構(gòu)為玻璃 /陽極 /給體+受體混合材料 /金屬電極 (圖 c. 由于無處不在的 納米尺度的界面大大增加了給受體接觸面積 , 激子解離效率提高 , 使 p 進(jìn)一步 提高到 2.9%. 制備電池所選擇的工藝流程及環(huán)境氣氛、 混合時所用給體和受體的比例也是 影響有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的因素 . Dennler 等將 MDMO-PPV 與 PCBM 按不同比例混合作為有機(jī)層制備有機(jī)太陽能電池 , 發(fā)現(xiàn)增加 PCBM 的比重有助 于提高電池的性能 . Fan 等通過電化學(xué)共沉積將 C60和噻吩在 ITO 上制備成膜 , PEDOT 作為電極修飾層 . 降低 C60的量 , 可

10、大大增強(qiáng)光伏效應(yīng) .理想情況下 , 在混合異質(zhì)結(jié)中電荷分離與收集是等效的 . 但實際上混合體微 觀結(jié)構(gòu)是無序的 , 網(wǎng)絡(luò)間存在大量缺陷 , 從而阻礙了電荷的分離和傳輸 . 研究發(fā) 現(xiàn) :將給體和受體通過共價鍵連接 , 可以很簡單地獲得微相分離的互滲雙連續(xù)網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu) , 基本能夠克服以上的缺陷 , 并且基于單一有機(jī)化合物的器件有利于獲得 化合物結(jié)構(gòu)與器件效率的關(guān)系 . Sun 等以多種非共軛柔結(jié)構(gòu)與器件效率的關(guān)系性 鏈作為連接給體和受體的橋梁 , 合成了有序的體異質(zhì)結(jié)太陽能電池材料 , 制備成 器件 , 通過空間和能級優(yōu)化減少光子吸收、激子及載流子的損失 , 提高了電池的 能量轉(zhuǎn)化效率 .級聯(lián)電

11、池是一種串聯(lián)的疊層電池 , 是將兩個或以上的器件單元以串接的方式 做成一個器件 (圖 d, 以便最大限度地吸收太陽光譜 , 提高電池的開路電壓和效 率 . 級聯(lián)電池可利用不同材料的不同吸收范圍 , 增加對太陽光譜的吸收 , 減少高 能光子的熱損失 , 最終提高器件效率 . 理想情況下 , 總的開路電壓等于各個子單 元開路電壓之和 , 實際上級聯(lián)電池的開路電壓一般大于子單元結(jié)構(gòu)的單元開路 電壓之和 . 其轉(zhuǎn)換效率主要受光生電流的限制 . 由于串聯(lián)方式連接 , 設(shè)計級聯(lián)電池時需合理地選擇各子電池的能隙寬度和 厚度及透明的連接層 , 保證各子電池間的電流匹配 , 且為歐姆接觸 , 并保證低的 串聯(lián)電

12、阻 , 以達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率的目的 .1.2.3 染料敏化太陽能電池寬帶隙半導(dǎo)體捕獲太陽光的能力很差 , 無法直接用于太陽能的轉(zhuǎn)換 . 研究發(fā) 現(xiàn) , 將與寬帶隙半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶能量匹配的一些有機(jī)染料吸附到半導(dǎo)體表面上 , 利用有機(jī)染料對可見光的強(qiáng)吸收 , 從而將體系的光譜響應(yīng)延伸到可見區(qū) , 這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的染料敏化作用 .1991年 , Gratzel小組報道了一種基于吸附染料光敏化劑的低成本、 高效率的 納米晶體多孔膜的新型太陽能電池 . 1998年 Gratzel 小組又成功制備了全固態(tài)染 料敏化納米晶太陽能電池 , 克服了因液態(tài)電解質(zhì)存在的一系列問題 . 其他學(xué)者也 對此類太陽能電

13、池進(jìn)行了研究 . 2003年 2月的 Nature 上報道了一種新結(jié)構(gòu)的染料 敏化太陽能電池 , 該電池具有多層結(jié)構(gòu) : 染料 (汞紅 -金 (1050 nm-二氧化鈦 (200 nm-鈦 , 使得內(nèi)光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到 10%.染料敏化層對降低電極的禁帶寬度、 增強(qiáng)其吸收太陽光的能力、 提高轉(zhuǎn)換效 率具有重要的作用 . 因此敏化劑的選擇是制作染料敏化太陽能電池的重要環(huán)節(jié) . 常用的敏化劑除聯(lián)吡啶配合物以外 , 還有酞菁類金屬配合物、鄰菲咯啉類配合 物、卟啉類配合物等 . 有機(jī)染料來源豐富 , 具有高的光吸收率 , 而且具有多樣化 結(jié)構(gòu) , 為人們進(jìn)行分子設(shè)計提供了可能 .有機(jī)染料敏化納米晶太陽

14、能電池的結(jié)構(gòu)與工作原理染料敏化納米晶太陽能電池 ( DSSC , (圖 e 為 DSSC 結(jié)構(gòu)示意圖, 它包括透明導(dǎo) 電玻璃、 光陽極、 染料、 電解質(zhì)、 對電極 5個部分。 當(dāng)前光陽極材料主要有 TiO 2、 ZnO 、 SnO 2等氧化物,其中 TiO 2性能優(yōu)越已成為 DSSC 的首選材料。 DSSC 工作原理 (圖 f 所示,工作過程可分為以下 5步:染料分子吸收太陽光,染料中的電子從 HOMO 態(tài) (相當(dāng)于價帶頂 躍遷到 LUMO 態(tài) (相當(dāng)于導(dǎo)帶底 ;激發(fā)態(tài)的電子快速注入到 TiO 2導(dǎo)帶中;注入到 TiO 2導(dǎo)帶中的電子在導(dǎo)電基片上富集, 并通過外電路流向?qū)﹄姌O; 與此同時,氧化

15、態(tài)的染料分子被 I -還原; I -被氧成 I 2,并與 I -結(jié)合成 I 3-, I 3-擴(kuò)散到對電極被還原成 I -。整個循 環(huán)完成。 圖 e DSSC 結(jié)構(gòu)示意圖 圖 f DSSC 工作原理圖DSSC 中的電解質(zhì)起促使染料再生和傳遞空穴的作用。 由于有機(jī)溶劑電解質(zhì) 對納米多孔膜的滲透性好, 氧化還原電對擴(kuò)散快, 可獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率。 傳統(tǒng)的 DSSC 一般采用液態(tài)電解質(zhì),即在乙腈、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有 機(jī)溶劑中加入碘鹽和碘單質(zhì)構(gòu)成 I -/I3-氧化還原對。但液態(tài)電解質(zhì)存在以下缺 點:沸點低,易揮發(fā),長期穩(wěn)定性差;易泄露,密封工藝復(fù)雜,密封材料易與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng);有機(jī)溶劑有一

16、定毒性,對人和環(huán)境不利;液態(tài)電解質(zhì)中微量水的存在可以導(dǎo)致染料脫附;太陽能電池的形狀設(shè)計受到限制。這些因素均限制 DSSC 的廣泛應(yīng)用。為了解決這些問題, 相繼提出室溫離子液體電解質(zhì)、 準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì), 固態(tài)電 解質(zhì)等新的電解質(zhì)體系。2 有機(jī)光敏染料2.1 光敏染料的特點DSSC 研究中一個關(guān)鍵問題是光敏劑 . 利用染料作為光敏劑,主要優(yōu)點有: (1有機(jī)染料吸收譜帶比無機(jī)材料范圍寬.這使得硅基太陽能電池?zé)o法利用的 500nm以上的太陽能. 特別是主要分布 在這范圍的散射光能量可被 DSSC 充分吸收利用。(2作為光敏劑,染料不僅能大幅提高對光能的捕獲.而且其量子產(chǎn)率通常 可高達(dá) 0.98甚至 1,

17、幾乎所有捕獲的光子都能形成有效的電荷分離。(3激發(fā)態(tài)染料分子能十分迅速的從電解質(zhì)中獲得電子還原成基態(tài)分子,有 效降低激發(fā)態(tài)的淬滅.有助于提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。作為實用的 DSSC 染料的化合物,應(yīng)當(dāng)滿足以下幾個條件:(1染料電子吸收光譜盡量覆蓋整個太陽光譜;(2染料的光量子產(chǎn)率高;(3激發(fā)態(tài)壽命長;(4能與半導(dǎo)體以化學(xué)鍵形式吸附,降低電子轉(zhuǎn)移過程的能量損失,而未 吸附分子要容易洗脫;(5染料的 LUMO 能級與半導(dǎo)體導(dǎo)帶匹配, 有利于染料的激發(fā)態(tài)電子相半 導(dǎo)體轉(zhuǎn)移;(6染料的 HOMO 能級與電解質(zhì)氧化還原電對的電位匹配, 有利于電子從 電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到染料的氧化態(tài),保證染料分子的再生;(7光、

18、熱穩(wěn)定性強(qiáng),能進(jìn)行 108次以上的氧化 -還原過程,能經(jīng)歷多年的 日曬分吹雨淋等自然環(huán)境的考驗,保持電池性能的穩(wěn)定。純有機(jī)染料敏化劑的研制過程中 , 人們在設(shè)計 D- - A 型染料分子方面做 了大量的工作。 D- - A 染料是一些具有光誘導(dǎo)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移 ( PICT 性質(zhì) 的電子供體 、 共軛體 、電子受體(D- - A組成的化合物。由于分子中電 子供體部分與電子受體部分之間的電荷傳輸和分離會加速電子從染料分子到寬 帶隙半導(dǎo)體導(dǎo)帶的注入 , 因此使這些具有 PICT 性質(zhì)化合物成為制作 DSSCs 的 理想染料。常用的電子供體材料有聚苯撐乙烯撐類、聚噻吩類、聚芴、聚苯胺、 香豆素和低能帶

19、隙聚合物等。 電子受體材料主要有富勒烯及其衍生物、 酸酯、 芳 雜環(huán)類聚合物、 梯形聚合物和碳納米管等。 通過調(diào)整電子供體 、 共軛體以及 電子受體的分子結(jié)構(gòu) , 可以達(dá)到優(yōu)化染料性能的目的。2.2 方酸菁染料在有機(jī)太陽能電池中的研究進(jìn)展方酸菁染料自 1965 年被首次合成以來 , 到目前已經(jīng)歷了 45年的發(fā)展 , 其 應(yīng)用已經(jīng)拓展到各個領(lǐng)域 . 由于方酸菁在可見及近紅外區(qū)有強(qiáng)烈的吸收和發(fā)射 性質(zhì) , 使其非常適合于與光敏現(xiàn)象相關(guān)的應(yīng)用 , 因此方酸菁化學(xué)在近年來已經(jīng)成 為研究的熱點 . 在與光敏現(xiàn)象相關(guān)的太陽能電池領(lǐng)域 , 方酸菁的相關(guān)報道還比較 少 , 然而由于方酸菁具有很高的摩爾吸光系數(shù)

20、以及良好的內(nèi)在穩(wěn)定性 , 使它在太 陽能電池領(lǐng)域越來越受到關(guān)注 , 因而有必要對方酸菁在這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn) 行綜述 , 希望能引起更多的科研人員的關(guān)注 . 在各種以有機(jī)材料為基礎(chǔ)的電池器 件中 , 有兩種電池在未來的大規(guī)模生產(chǎn)中非常具有潛力 :即染料敏化太陽能電池和 本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池 (bulk-heterojunction organic solar cells, BHJ-OSC. 本 文擬對方酸菁在這兩種結(jié)構(gòu)的太陽能電池以及與 BHJ-OSC 相關(guān)的其它異質(zhì)結(jié) 太陽能電池中的研究進(jìn)展作一介紹 , 并對方酸菁在這一領(lǐng)域的發(fā)展前景進(jìn)行了展 望 . 目前 , 在 DSSC 中用作敏化劑

21、的方酸菁主要有兩種結(jié)構(gòu) : 一種是對稱型方酸 菁 , 一種是不對稱型方酸菁 .2.2.1 對稱型方酸菁作為敏化劑方酸菁染料在 DSSC 中的研究起步較晚 , 直到 1999年以后才有文獻(xiàn)陸續(xù)報道 方酸菁在這方面的應(yīng)用 . 眾所周知 , 方酸菁的平面性較好 , 使其在溶液及其固體 狀態(tài)時均容易形成聚集體 , 而聚集體的形成往往會降低電池的效率 , 因此以方酸 菁單體作為敏化劑 , 不加入阻聚劑以及共敏化劑的研究較少 .2.2.2 不對稱型方酸菁作為敏化劑在使用不對稱方酸菁作為敏化劑的研究中 , 有兩個研究組值得關(guān)注 , 一個是 印度的 Das 研究組 , 另一個是日本的 Funabiki 研究組

22、 . 他們兩人領(lǐng)導(dǎo)的研究 組先后研究了不對稱方酸菁染料以及不對稱方酸菁染料中位阻效應(yīng)對 DSSC 效 率的影響 . 正是由于他們開創(chuàng)性的工作 , 使得不對稱方酸菁在這個領(lǐng)域中的研究 變得有章可循 , 為設(shè)計新型的、高效的不對稱方酸菁奠定了理論基礎(chǔ) .2005 年 , Das 等系統(tǒng)研究了對稱方酸菁染料與不對稱方酸菁染料對 DSSC 效率的影響 . 研究發(fā)現(xiàn) , 在入射光為 200 W, 水銀燈 96 mWcm -2光照條件下 , 化合物 11 (圖 g 作為敏化劑時 , 電池的 為 1.04%, 而用不對稱方酸菁染料 12作 為敏化劑時 , 電池的 為 2.08%.兩者對比可知 , 與對稱方酸

23、菁染料相比 , 基于不 對稱方酸菁染料的光伏電池有更高的轉(zhuǎn)化效率 . 分子軌道計算結(jié)果表明 , 與激發(fā) 態(tài)時對稱方酸菁染料的電子由兩端流向中心四員環(huán)相比 , 激發(fā)態(tài)時不對稱方酸 菁染料的電子是呈單向流動的 . 與此同時 , 作者還觀察到 : 對稱方酸菁染料在納 米晶 TiO2 表面上的聚集會降低染料的敏化效率 , 而無論是單體還是聚集形式 的不對稱方酸菁都能夠有效地提高敏化效率 . 他們的研究成果為方酸菁在這個 領(lǐng)域的研究提供了理論指導(dǎo) . 圖 g2006年 , 日本的 Funabiki 等發(fā)展了一種有效的染料敏化 ZnO 太陽能電池 , 通過在染料中引入大位阻基團(tuán)來抑制染料在 ZnO 表面的

24、聚集 , 從而提高了 和 IPCE 值 . 比較吸收光譜發(fā)現(xiàn) , 14比 13更易形成聚集體 , 因此 13 (圖 h, 620 nm處 的 IPCE 值為 22%與 14(620nm處的 IPCE 值為 7%相比有更高的 IPCE 值 . 兩者 出現(xiàn)差異的原因推測起來大概是由于 14中 電子極化作用的降低 , 以及 13中二 辛氨基的存在產(chǎn)生了位阻效應(yīng) . 另外 , 15中吲哚部分二個丁基的引入增加了位阻 效應(yīng) , 與 13相比 , 有效地抑制了染料 H-聚集體的形成 , 因此獲得了更高的 IPCE 值 (620 nm處為 30%.經(jīng)過優(yōu)化 , 用脫氧膽酸 (deoxycholic acid

25、, DCA作為共吸附劑 敏化的太陽能電池 , DCA 的加入幾乎完全抑制了染料在 ZnO 表面的聚集 , 因此 獲得了最高的 IPCE 值 (630 nm 處為 59%. 值得注意的是 , 染料聚集體的抑制不僅增加了光電流 , 也增加了光電壓 . 可能是 DCA 共吸附抑制了反向電子轉(zhuǎn)移 , 從而增加了光電壓 , 因此 , 在 AM1.5, 100mWcm -2光照強(qiáng)度下 , 由 15敏化的太陽 能電池在以 DCA 作為共吸附劑時獲得了最高為 1.5%的 , 相應(yīng)的 V oc 為 0.61 V, Jsc 為 4.04 mAcm 2, FF為 0.61.圖 h2007年 , N ües

26、ch 和 Nazeeruddin 等首次合成了不對稱方酸菁 16 (圖 i, 并 將其成功地應(yīng)用于 DSSC 中 . 在 AM 1.5太陽光條件下 , CDCA 作為共吸附劑的濃度為時, 電池的 Voc 為(603±30 mV, Jsc 為 10 mmolL-1(10.50±0.20 mA.cm -2, FF 為(0.71±0.03, 為 4.5%,IPCE 值高達(dá) 85%.方酸菁敏化劑能有如此高的效率主要 歸因于特別的分子設(shè)計. 首先, 羧基是染料共軛 -系統(tǒng)的一部分, 使染料與 TiO2 導(dǎo)帶產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電子偶合作用;另外, 由辛基鏈產(chǎn)生的不對稱性阻止了染 料

27、在 TiO2 表面的聚集, 抑制了激發(fā)態(tài)時染料的自淬滅. 這些數(shù)據(jù)證明, 使激發(fā)態(tài) 染料的電子呈單向流動,以及抑制染料激發(fā)態(tài)時的自淬滅是設(shè)計高效率方酸菁還 研究了 16 與染料 17 共同敏的關(guān)鍵. Nazeeruddin 等化的太陽能電池. 17 與 16 在可見光區(qū)的吸收相互補(bǔ)充,從而使電池具有了全色響應(yīng). 經(jīng)過優(yōu)化, 在 AM 1.5 太陽光條件下, 電池的 Voc 為 685 mV, Jsc 為 15.5 mAcm -2,FF 為 0.70, 為 7.43%, IPCE 值為 86%. 2008 年,Nazeeruddin 等又研究了共吸附效應(yīng)對 DSSC 效率的影響. 經(jīng)過優(yōu)化后, 在 CDCA 的濃度為 10 mmolL-1 時,電池的效率達(dá)到了 4.23%, 高于沒有 CDCA 時的 2.82%.研究發(fā)現(xiàn), 共吸附劑 CDCA 的存在阻止了方 酸菁敏化劑 16 在 TiO2 納米晶表面的聚集, 降低了染料的負(fù)載, 而降低的染料 負(fù)載并不影響光電流. 同時, CDCA 的加入提高了開路電壓. 光伏衰減測試顯示, CDCA 與 16 在 TiO2 表面的存在, 不僅引起了 TiO2 介孔薄膜導(dǎo)帶邊緣向上移動, 也縮小了在 TiO2 表面的復(fù)合過程. 因此,與沒有 CDCA 的電池相比, 有 CDCA 的