“想象一下，以後再也不需要給自己的手機、電子書、平板電腦充電！”這是
Science 網站新聞中對一種新型太陽能電池在未來應用的展望。[1] 原來，科研人員已經制造出一種可以在光照較弱的環境中高效率工作的染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell，DSC），就算是室內、多雲或陰天，也能以創紀錄的高效率將光能轉變為電能。染料敏化太陽能電池領域現在已經成為了一類技術成熟的光伏技術，可高效率地利用散射光，在標準AM1.5G太陽光輻照下認證光電轉換效率（PCE）目前可以達到11.9%，而在室內光下可高達28.9%。傳統的DSC器件結構，會利用間隔層將介孔TiO2薄膜與電極隔離開。但是，這容易使得器件在高強度光照下阻擋氧化還原電對的擴散而且會導致電荷收集產率降低。近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Michael Grätzel教授等研究者提出了一種新的DSC器件結構，直接將TiO2薄膜與聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）對電極接觸以提高光伏性能。數據證明，在AM1.5G 100 mW cm-2太陽光照下，器件效率可以高達13.1%；在1000勒克斯的室內光強下，器件效率可以達到32%，超過已報道的其他光伏器件。相關論文發表在Cell Press旗下的Joule 雜誌上，第一作者為曹禕明（Yiming Cao）博士。
作者所採用的新型DSC器件結構如圖1所示。其中，n型無機半導體與p-型聚合物半導體制成的II型連接，具體來說，介孔TiO2電極與作為空穴選擇性電子阻擋層的p型聚合物半導體直接接觸（圖1B）。這類沒有間隔區的DSC製備起來也比較簡單，可以直接將兩個電極通過機械力壓在一起即可（圖1C），隨後利用紫外固化膠水進行封裝。電極之間沒有了間隔，氧化還原電對僅在介孔TiO2薄膜中擴散，縮短了擴散路徑（圖1D）。
圖1. 新型DSC器件結構示意圖
為了製造該類型DSC器件，作者採用PEDOT薄膜作為對電極。PEDOT是一種高電導聚合物而且具有寬帶隙，還可以與TiO2匹配（圖2A）。文中用到的有機材料的結構式如圖2B所示，作者製備了封裝的DSC器件。從圖2C可以看出，如果DSC器件中PEDOT及Y123（染料）敏化介孔TiO2薄膜分離，AM1.5G 100 mW cm-2太陽光輻照下短路電流密度（Jsc）為12.18 mA cm-2，開路電壓（Voc）為1,090 mV，填充因子（FF）為0.78，光電轉換效率約為10.3%。而使用接觸電極結構，Jsc明顯提高到13.11 mA cm-2，Voc不變，FF略有提高（0.79），而器件效率可以大幅增加到11.3%。如圖2E所示，使用直接接觸電極及Y123作為染料敏化劑的器件的最高效率為11.6%。單色光的內量子效率的峰值可以達到90%，但是超過600 nm卻急速下降。為了拓寬其光譜響應，作者引入窄帶隙染料XY1b。使用接觸電極並採用銅配合物作為氧化還原電對，Y123/XY1b共敏化的電池效率可以達到13.1%。這個數值大大超越了之前報道的採用銅配合物作為氧化還原電對的器件效率。其內量子效率光譜（圖2F）可以看出，最高峰仍然超過90%，而且光譜得以拓寬，提高了600-750 nm範圍的光電流響應。
圖2. 接觸電極結構提高對太陽光的能量轉換
此外，這種接觸電極結構有利於大面積DSC的製備。作為驗證，作者製備了光活性面積為2.80 cm2與20.25 cm2的兩個器件（圖3A），太陽光下的光伏性能表現依然優良。除了吸收太陽光，染料敏化太陽能電池的一大特點是可以非常有效的吸收散射光並轉換成電。與太陽光光譜對比，多雲條件下的環境散射光以及室內光，會在近紅外區發射更少的光子，光強更小。如圖3B展示出Osram 930暖白色熒光燈管的發射功率譜圖。在不同光強下，2.80 cm2與20.25 cm2 兩個器件的光伏性能如表1所示。圖3C展現了在1,000、500及200勒克斯下2.80 cm2電池器件的電流電壓曲線。在1000勒克斯下，電池產生283 mW（Pmax = 101.2 mW cm-2）的最大功率，最高光電轉換效率可達31.8%，這是有史以來DSC電池光電轉換效率的最高值。即便是20.25 cm2的大面積器件，最高光電轉換效率可達到26.4%。
圖3. 模擬室內光下的光電轉換
表1. 在不同的室內光強下2.80 cm2與20.25 cm2 DSC器件的光伏參數
總之，作者報道了一類介孔TiO2電極與作為空穴選擇性電子阻擋層的p型聚合物半導體直接接觸的染料敏化太陽能電池器件結構。基於該器件結構，在AM 1.5G 100 mW cm-2太陽光照下，器件效率可以高達13.1%。同時，在1000勒克斯的室內光強下，器件效率更可以達到32%，創造了新的記錄。也許真的有一天，基於這種太陽能電池的各種電子器件可以讓我們忘掉要不斷充電這件麻煩事。
原文
Direct Contact of Selective Charge Extraction Layers Enables High-Efficiency Molecular Photovoltaics
Joule, 2018, 2, 1108-1117, DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.017
1.http://www.sciencemag.org/news/2018/04/solar-cells-work-low-light-could-charge-devices-indoors
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