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1、中国基础科学研究进展高转换效率的有机染料敏化太阳电池衣智慧张敏王鹏中国科学院长春应用化学研究所,长春130022摘要本研究设计合成了一种分子内梯度上的经济。然而,地球只有一个,化石能源亦有限,争端必然永无休止。在化石能源的争夺中谁都不会能级、含二元共轭单元的有机染料C217。成为最后的赢家,历练了千百万年沉淀的化石能源此染料以3,4乙烯二氧基噻吩(EDOT)与二终将枯竭。因而,可再生能源的开发成为大势所趋。并噻吩的顺序偶联结构作为染料的共轭系其中太阳能的高效利用是一个重要的选择途径。最统,结合三芳胺给体和氰基乙酸受体,
2、实现了早问世的太阳电池是单晶硅太阳电池。地球上硅的染料的宽光谱吸收。该染料在以乙腈为电解含量极其丰富,但是这种电池成本较高,制造工艺复杂,且污染严重。在!性价比∀这一商业关键词的驱质溶剂的器件中达到了9.8%的光电转换效动下,太阳电池的研究进入了一个新的阶段。瑞士率;结合无溶剂离子液体电解质,实现了光电洛桑高工的MichaelGrtzel小组于1991年发明了一转换效率达8.1%的长期光热稳定的染料敏种!三明治∀式结构的染料敏化纳晶太阳电池(又称[1]化太阳电池,其性能已经非常接近钌染料。Grtzel电池)。这种电池的成本只有硅太阳
3、电池的1/10#1/5,吸引了国际上众多的大学和公司纷纷这一研究成果将促进宽光谱、高效率、低成本加入该研究领域。有机染料敏化太阳电池的开发和应用。关键词:有机染料染料敏化太阳电池光热稳定二、关键科学问题及重要进展无溶剂电解质中图分类号:TM914.4文献标识码:A在染料敏化太阳电池的发展历史中,以多吡啶文章编号:10092412(2010)02002303钌配合物为光敏染料的器件占据了重要的地位,目DOI:10.3639/.jissn.10092412.2010.02.007前,全球报道的可实现11%转换效率的染料有
4、5种,[2][3]包括我们前期开发的C101和C106。基于C101染料,结合挥发性电解质已制备出功率转化效率为11.9%的器件。然而,钌染料除光吸收系数较低和一、研究背景重金属毒性的问题外,钌在地球上的储量也有限,难以满足未来超大规模的应用需求。相对于钌染料,进入21世纪,伴随人类社会前所未有的繁荣,全有机染料具有廉价、光吸收系数高和分子剪裁灵地球资源也在经历前所未有的凋零。世界能源的消活的优点。目前全球大量的研究致力于有机染料的耗量逐年递增,能源问题逐渐成为制约未来社会经研发,而且成效显著。由日本开发的吲哚型染料济发展的瓶颈。世
5、界经济的发展,目前主要得益于[4][5]D149和D205是众多高效染料中的佼佼者,尤其化石能源,如石油、煤炭、天然气等。在社会的飞速是D205结合挥发性电解质已制备出功率转化效率发展过程中,没有人责怪这种建立在化石能源基础达9.5%的器件。遗憾的是这两种染料的稳定性很收稿日期:20091228修回日期:2010415差,无法获得实际应用。联系作者:王鹏,研究员,peng.wang@ciac.j.lcn,中国科学院长春应高效、稳定是染料敏化太阳电池研究者一直追用化学研究所洁净能源实验室。寻的目标。通过分析发现,目前报道的
6、有机染料都研究资助:国家重大科学研究计划(2007CB936702),国家自然科学基有相同的特点:摩尔消光系数大,但光谱响应范围较金面上基金(50773078)。窄。那么,该如何有效地拓宽光吸收范围?大部分该研究入选2009年度中国基础研究十大新闻评选30项候选新闻。研究者希望通过系统的延展来解决这一问题。本20102ChinaBasicScience23中国基础科学研究进展研究组前期也设计合成了一系列以三芳胺为给体了552nm,器件的光谱响应范围接近钌染料的水平,(D)、噻吩为延展部分(包括单噻吩、二联噻吩、三量子转换效
7、率(IPCE)在440#590nm范围内超过了联噻吩和四联噻吩)、氰基乙酸为受体(A)的染料90%。该染料在以乙腈为电解质溶剂的器件中达到(图1),试图通过设计共轭系统的结构来调控染料了9.8%的光电转换效率;结合无溶剂离子液体电解的能带和吸收光谱等特性以实现高性能有机染料。质,实现了光电转换效率达8.1%的长期光热稳定的然而,通过测试其紫外可见吸收光谱我们发现,染料染料敏化太阳电池(图3)。这两项指标均为有机染的最大吸收波长并没有随共轭系统的延长而红料敏化太阳电池的最好结果,其性能已经非常接近移,反而在系统达到一定的长度时有蓝移
8、趋势。钌染料。相关研究工作已于2009年发表在Chemical[6]这表明,一味地延长系统不能解决光吸收问题。Communications上。此工作被!TechnologyReview∀和NatureCh
