近年來，基于有機(jī)分子的太陽能光伏電池作為傳統(tǒng)高耗費(fèi)的單晶太陽能器件最具潛力的替代者受到了廣泛的關(guān)注。
有機(jī)分子具有高消光系數(shù)、無基于有機(jī)分子的太陽能光伏電池作為傳統(tǒng)高耗費(fèi)的單晶太陽能器件最具潛力的替代者，近年來受到了廣泛的關(guān)注。有機(jī)分子具有高消光系數(shù)、無毒、易合成、價(jià)格低等優(yōu)勢。目前這類電池有超過13%的能源轉(zhuǎn)化效率(50%太陽光照下)和較長時間的穩(wěn)定性。盡管大量實(shí)驗(yàn)研究揭示了有機(jī)分子太陽能光伏電池的各方面宏觀性質(zhì)，如伏安特性、光譜、薄膜形態(tài)等，微觀尺度上有關(guān)有機(jī)分子界面結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)化機(jī)制的圖像仍然欠缺。這阻礙了人們進(jìn)一步提高太陽能光伏電池性能。
中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室(籌)表面實(shí)驗(yàn)室博士生焦揚(yáng)、張帆、丁子敬和孟勝研究員等最近對基于有機(jī)分子的太陽能電池機(jī)理作了細(xì)致的理論和實(shí)驗(yàn)研究。使用包含激發(fā)態(tài)信息的含時密度泛函理論模擬，他們發(fā)現(xiàn)在TiO2界面上分子的能級受界面化學(xué)鍵的振動所調(diào)制，從而直接影響激發(fā)態(tài)電子向半導(dǎo)體注入的動力學(xué)過程和效率“Phys.Chem.Chem.Phys.13，13196(2011)”。
接著，他們和清華大學(xué)任俊博士、哈佛大學(xué)E.Kaxiras教授合作，分析了有機(jī)太陽能的典型界面C60/CuPc的原子結(jié)構(gòu)和電子耦合。他們發(fā)現(xiàn)，界面處不同的分子排列方式(水平或垂直)對太陽光吸收性能影響不大，但對于電子能級排布卻有重要作用。其中水平排列的C60/CuPc界面兩層的分子能級更為接近，比垂直排列界面提供高出0.3V左右的電壓。這對于提高太陽能轉(zhuǎn)化效率有著重要影響。結(jié)果發(fā)表在“NanoResearch5，248(2012)”。
他們進(jìn)一步研究了不含金屬的純有機(jī)分子在TiO2界面上的原子結(jié)構(gòu)對形成的有機(jī)染料太陽能電池效率的影響。這類分子一般采納Donor-π-Acceptor的結(jié)構(gòu)，大多通過氰基丙烯(cyanoacrylic)基團(tuán)與表面結(jié)合。雖然這一類分子得到極為廣泛的應(yīng)用，但其吸附結(jié)構(gòu)并不清楚。此前人們普遍認(rèn)為這一類有機(jī)染料與傳統(tǒng)釕復(fù)合物染料類似，只通過羧基吸附在TiO2表面。基于第一性原理分子動力學(xué)和含時密度泛函理論計(jì)算，焦揚(yáng)等與瑞士聯(lián)邦理工MichaelGraetzel教授合作研究了含氰基丙烯基團(tuán)的有機(jī)分子在銳鈦礦TiO2(101)表面的吸附和電子動力學(xué)(圖1)。通過對動力學(xué)模擬得到的振動譜的詳細(xì)分析和與實(shí)驗(yàn)得到的紅外吸收譜的比較，他們發(fā)現(xiàn)氰基和羧基共同參與表面吸附，該吸附構(gòu)型非常有利于太陽能源轉(zhuǎn)化。
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