染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)被稱(chēng)為第三代太陽(yáng)能電池，這種電池采用的薄膜材料價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好，成為繼硅系太陽(yáng)電池之后又一令人矚目的太陽(yáng)能電池。目前用于DSSCs的光敏染料主要是非金屬的有機(jī)染料分子，因?yàn)樗鼈兊闹谱鞒杀镜汀⒐庾蛹ぐl(fā)效率高，同時(shí)能夠靈活的調(diào)控。由于DSSCs吸光后，初始的電荷分離發(fā)生在染料與TiO2吸附的界面和空穴傳輸材料，所以DSSCs的性能表現(xiàn)不僅依賴(lài)于染料分子自身的電子能級(jí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還依賴(lài)于界面處的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)過(guò)程。所以對(duì)染料與TiO2界面性質(zhì)的深入研究和微觀認(rèn)識(shí)非常重要。
最近北大新材料學(xué)院的潘鋒教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)Man Shing Wong教授團(tuán)隊(duì)、中科院化學(xué)所林原教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)第一性原理和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)染料分子吸附在TiO2的表面上以后，界面存在顯著的電荷轉(zhuǎn)移，而且這種電荷轉(zhuǎn)移使界面處各自的能級(jí)發(fā)生重排（染料的分子軌道向上移動(dòng)，TiO2的導(dǎo)帶向下移動(dòng)）。能級(jí)重排的結(jié)果能夠增加光吸收的范圍和電子注入的驅(qū)動(dòng)力，但卻降低了開(kāi)路電壓。更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)對(duì)染料分子的受體基團(tuán)和拉電子基團(tuán)進(jìn)行分子調(diào)控，不會(huì)影響界面處的能級(jí)重排（染料吸附在TiO2表面上以后，能隙變得一致）。盡管如此，它們?nèi)匀荒苷{(diào)控界面處的空間位阻效應(yīng)和電荷分離，從而能夠調(diào)控DSSCs的開(kāi)路電壓和短路電流。這些發(fā)現(xiàn)將為以后如何優(yōu)化染料分子與TiO2的界面性質(zhì)來(lái)提高DSSCs的表現(xiàn)性能提供重要的線(xiàn)索和指導(dǎo)。該工作近期發(fā)表在國(guó)際知名材料化學(xué)期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》 （影響因子IF=6.7）上，北大新材料學(xué)院的鄭家新博士是文章的第一作者。
圖：染料分子吸附在TiO2表面后的界面結(jié)構(gòu)與能級(jí)結(jié)構(gòu)。
文章下載：pdf
文章鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5b07591
How to Optimize the Interface between Photosensitizers and TiO2 Nanocrystals with Molecular Engineering to Enhance Performances of Dye-Sensitized Solar Cells? ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, DOI: 10.1021/acsami.5b07591.
