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染料敏化太阳能电池领域现在已经成为了一类技术成熟的光伏技术，可高效率地利用散射光，在标准AM1.5G太阳光辐照下认证光电转换效率（PCE）目前可以达到11.9%，而在室内光下可高达28.9%。传统的DSC器件结构，会利用间隔层将介孔TiO2薄膜与电极隔离开。但是，这容易使得器件在高强度光照下阻挡氧化还原电对的扩散而且会导致电荷收集产率降低。近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Grätzel教授等研究者提出了一种新的DSC器件结构，直接将TiO2薄膜与聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）对电极接触以提高光伏性能。数据证明，在AM1.5G 100 mW cm-2太阳光照下，器件效率可以高达13.1%；在1000勒克斯的室内光强下，器件效率可以达到32%，超过已报道的其他光伏器件。相关论文发表在Cell Press旗下的Joule
作者所采用的新型DSC器件结构如图1所示。其中，n型无机半导体与p-型聚合物半导体制成的II型连接，具体来说，介孔TiO2电极与作为空穴选择性电子阻挡层的p型聚合物半导体直接接触（图1B）。这类没有间隔区的DSC制备起来也比较简单，可以直接将两个电极通过机械力压在一起即可（图1C），随后利用紫外固化胶水进行封装。电极之间没有了间隔，氧化还原电对仅在介孔TiO2薄膜中扩散，缩短了扩散路径（图1D）。
图1. 新型DSC器件结构示意图
为了制造该类型DSC器件，作者采用PEDOT薄膜作为对电极。PEDOT是一种高电导聚合物而且具有宽带隙，还可以与TiO2匹配（图2A）。文中用到的有机材料的结构式如图2B所示，作者制备了封装的DSC器件。从图2C可以看出，如果DSC器件中PEDOT及Y123（染料）敏化介孔TiO2薄膜分离，AM1.5G 100 mW cm-2太阳光辐照下短路电流密度（Jsc）为12.18 mA cm-2，开路电压（Voc）为1,090 mV，填充因子（FF）为0.78，光电转换效率约为10.3%。而使用接触电极结构，Jsc明显提高到13.11 mA cm-2，Voc不变，FF略有提高（0.79），而器件效率可以大幅增加到11.3%。如图2E所示，使用直接接触电极及Y123作为染料敏化剂的器件的最高效率为11.6%。单色光的内量子效率的峰值可以达到90%，但是超过600 nm却急速下降。为了拓宽其光谱响应，作者引入窄带隙染料XY1b。使用接触电极并采用铜配合物作为氧化还原电对，Y123/XY1b共敏化的电池效率可以达到13.1%。这个数值大大超越了之前报道的采用铜配合物作为氧化还原电对的器件效率。其内量子效率光谱（图2F）可以看出，最高峰仍然超过90%，而且光谱得以拓宽，提高了600-750 nm范围的光电流响应。
图2. 接触电极结构提高对太阳光的能量转换
此外，这种接触电极结构有利于大面积DSC的制备。作为验证，作者制备了光活性面积为2.80 cm2与20.25 cm2的两个器件（图3A），太阳光下的光伏性能表现依然优良。除了吸收太阳光，染料敏化太阳能电池的一大特点是可以非常有效的吸收散射光并转换成电。与太阳光光谱对比，多云条件下的环境散射光以及室内光，会在近红外区发射更少的光子，光强更小。如图3B展示出Osram 930暖白色荧光灯管的发射功率谱图。在不同光强下，2.80 cm2与20.25 cm2 两个器件的光伏性能如表1所示。图3C展现了在1,000、500及200勒克斯下2.80 cm2电池器件的电流电压曲线。在1000勒克斯下，电池产生283 mW（Pmax = 101.2 mW cm-2）的最大功率，最高光电转换效率可达31.8%，这是有史以来DSC电池光电转换效率的最高值。即便是20.25 cm2的大面积器件，最高光电转换效率可达到26.4%。
图3. 模拟室内光下的光电转换
表1. 在不同的室内光强下2.80 cm2与20.25 cm2 DSC器件的光伏参数
总之，作者报道了一类介孔TiO2电极与作为空穴选择性电子阻挡层的p型聚合物半导体直接接触的染料敏化太阳能电池器件结构。基于该器件结构，在AM 1.5G 100 mW cm-2太阳光照下，器件效率可以高达13.1%。同时，在1000勒克斯的室内光强下，器件效率更可以达到32%，创造了新的记录。也许真的有一天，基于这种太阳能电池的各种电子器件可以让我们忘掉要不断充电这件麻烦事。
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