染料敏化-非铅双钙钛矿太阳能电池
双钙钛矿材料具有良好的稳定性，然而受制于其禁带宽度较大等内在缺陷的制约，基于其制备的太阳能电池的能量转化效率难以有较大提升。近日，王晓峰团队通过将一种含羧基的叶绿素衍生物(C-Chl)敏化的二氧化钛电子传输层和非铅双钙钛矿材料Cs2AgBiBr6相结合的策略，成功制备了染料敏化—非铅双钙钛矿太阳能电池。为非铅双钙钛矿太阳能电池的开发提供了新思路。
近年来，钙钛矿材料在光伏等领域引起了越来越多的关注，钙钛矿太阳能电池的能量转化效率也在迅速提升，然而传统的钙钛矿材料中铅的存在始终是制约其大规模应用的因素之一。尽管封装等技术可以一定程度上解决铅的泄露问题，然而，想要彻底摆脱铅对于环境的污染，开发新的非铅钙钛矿材料才能够从根本上解决这一问题。作为非铅钙钛矿材料的一个重要分支，应用双钙钛矿材料制备的太阳能电池能够兼顾能量转化效率和稳定性，其代表Cs2AgBiBr6已经被国内外多个课题组证明是一种潜在的光伏材料，应用其制备的太阳能电池亦有良好的表现。在已有的文献报导中，许多针对优化Cs2AgBiBr6薄膜质量的策略对钙钛矿太阳能电池的光伏性能有明显提升。然而由于材料具有较大的禁带宽度，只能吸收短波长范围的光子，极大地限制了基于其制备的太阳能电池的光电流以及能量转化效率。
王晓峰团队开发的染料敏化-非铅双钙钛矿太阳能电池很好的弥补了上述缺憾。在该体系中，叶绿素衍生物和钙钛矿材料可同时作为光敏材料并分别吸收不同波段的光子。得益于叶绿素对长波长范围内光子的吸收，所制备的太阳能电池的外量子效率(EQE)响应从300-550纳米增强并拓宽到300-750纳米。器件的能量转化效率首次超过了3%，为双钙钛矿太阳能电池的最高效率。同时，利用叶绿素及其衍生物作为光敏材料/电子传输材料制备的非铅钙钛矿太阳能电池，可以最大程度地减少环境污染。
将染料敏化和钙钛矿结合之后，电池内部的电荷传输路径主要分为两部分：当Cs2AgBiBr6受到光激发时，由于C-Chl的吸附量很低，Cs2AgBiBr6和介孔二氧化钛的表面直接接触，处于激发态的电子能够直接注入到介孔二氧化钛中;当C-Chl被光激发时，激发态电子会快速注入到介孔二氧化钛中。由于Cs2AgBiBr6的LUMO能级略低于C-Chl的LUMO能级，C-Chl中剩余的空穴可以获得从Cs2AgBiBr6中激发出的电子。
图1. 电池的电荷传输路径。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
相较于基于原始二氧化钛作为电子传输层制备的太阳能电池，加入C-Chl作为敏化剂后太阳能电池的能量转化效率从2.28%提升至3.11%，该提升主要来自于光电流密度显著增长的贡献,并且可以从EQE光谱中得到证实。此外，电池内部载流子复合得到抑制，电荷传输电阻明显降低，电池的迟滞效应也有明显减小，在稳定性以及可重复性等方面均表现良好。
图2. 器件的光伏性能和稳定性。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是吉林大学物理学院博士研究生王宝宁。
Chlorophyll Derivative-Sensitized TiO2 Electron Transport Layer for Record Efficiency Cs2AgBiBr6 Double Perovskite Solar Cells
Baoning Wang, Na Li, Lin Yang, Chunxiang Dall’Agnese, Ajay Kumar Jena, Shin-ichi Sasaki, Tsutomu Miyasaka, Hitoshi Tamiaki, Xiao-Feng Wang
J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c12786
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