染料敏化太陽能電池電解質(zhì)材料研究取得新進(jìn)展
近幾年，基于銅配合物電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池（DSC）取得了突破性進(jìn)展，在室內(nèi)光照條件下獲得了高于34%的光電轉(zhuǎn)換效率。然而，該電解質(zhì)體系的一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題是路易斯堿添加劑（如4-叔丁基吡啶，TBP）會(huì)破壞普遍使用的基于雙齒聯(lián)吡啶和鄰菲羅啉配體的二價(jià)銅配合物結(jié)構(gòu)，因此制約器件的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。
近日，精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫立成院士團(tuán)隊(duì)于澤教授在前期研究的基礎(chǔ)上（ACS Appl. Mater. Interfaces?2018, 10, 30409-30416; J. Mater. Chem. A?2019, 7, 12808-12814），設(shè)計(jì)合成了一種新型五齒氮配位結(jié)構(gòu)的銅配合物，并作為電解質(zhì)用于染料敏化太陽能電池中?；谠撾娊赓|(zhì)的DSC器件表現(xiàn)出非常出色的長(zhǎng)時(shí)間光照穩(wěn)定性，同等條件下大大優(yōu)于目前廣泛采用的4,4',6,6'-四甲基-2,2'-聯(lián)吡啶（tmby）配體。
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圖1（a）tme配體分子結(jié)構(gòu)；（b）[Cu(tme)]2+配合物晶體結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)五齒配體的目的之一是利用配體的螯合效應(yīng)有效阻擋路易斯堿添加劑對(duì)二價(jià)銅配合物的配位，從而提高其穩(wěn)定性。通過電化學(xué)循環(huán)伏安、紫外可見吸收光譜和電子順磁共振波譜證實(shí)了TBP的添加并沒有影響該二價(jià)銅配合物的配位環(huán)境。然而，基于tmby配體的二價(jià)銅配合物結(jié)構(gòu)受到了TBP嚴(yán)重的破壞。
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圖2 [Cu(tme)]2+和[Cu(tmby)2]2+（50 mM）加入一個(gè)摩爾當(dāng)量TBP的EPR譜圖（均為二氯甲烷溶液）
作者進(jìn)一步測(cè)試了基于[Cu(tme)]2+/+和[Cu(tmby)2]2+/+電解質(zhì)的DSC器件的長(zhǎng)時(shí)間光照穩(wěn)定性。在標(biāo)準(zhǔn)AM 1.5G太陽光下連續(xù)運(yùn)行400小時(shí)后，基于[Cu(tme)]2+/+電解質(zhì)的器件表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，仍然保持超過90%的初始效率。同等條件下，基于聯(lián)吡啶配體電解質(zhì)的器件僅僅維持了不到80%。其中一個(gè)主要的原因是TBP的加入對(duì)基于[Cu(tme)]2+/+電解質(zhì)器件的對(duì)電極阻抗（counter electrode resistance）和電解質(zhì)擴(kuò)散阻抗（diffusion resistance）的影響微乎其微，減少了填充因子的損失，從而提升了器件的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。這類新型銅配合物電解質(zhì)表現(xiàn)出諸多優(yōu)異的性質(zhì)，例如較小的開路電壓損失、幾乎可忽略的可見光競(jìng)爭(zhēng)吸收以及對(duì)于近紅外染料較大的再生驅(qū)動(dòng)力等，為進(jìn)一步開發(fā)高效和高穩(wěn)定的染料敏化太陽電池提供了一個(gè)新的思路。
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圖3基于[Cu(tme)]2+/+和[Cu(tmby)2]2+/+電解質(zhì)DSC器件連續(xù)光照穩(wěn)定性測(cè)試效率變化圖
上述研究成果以題為“Stable Dye-Sensitized Solar Cells Based on Copper(II/I) Redox Mediators Bearing a Pentadentate Ligand”發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上，并被選為VIP (Very Important Paper)論文(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202104563)。論文的第一作者是大連理工大學(xué)碩士研究生芮海龍和常熟理工學(xué)院沈駿宇博士，通訊作者為大連理工大學(xué)的孫立成教授和于澤教授。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的資金支持。
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