中科院物理研究所太阳能电池研究取得进展

1、中科院物理研究所太阳能电池研究获得进展基于有机分子的太阳能电池作为传统高消耗的单晶太阳能器件最具潜力的替代者，近年来受到了广泛的关注。有机分子具有高消光系数、无毒、易合成、价格低等优势。目前这类电池有超过13%的能源转化效率50%太阳光照下和较长时间的稳定性。尽管大量实验研究提醒了有机分子太阳能电池的各方面宏观性质，如伏安特性、光谱、薄膜形态等，微观尺度上有关有机分子界面构造和能量转化机制的图像仍然欠缺。这阻碍了人们进一步进步太阳能电池性能。中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室筹外表实验室博士生焦扬、张帆、丁子敬和孟胜研究员等最近对基于有机分子的太阳能电池机理作了细致的理论和实验研究。使

2、用包含激发态信息的含时密度泛函理论模拟，他们发如今TiO2界面上分子的能级受界面化学键的振动所调制，从而直接影响激发态电子向半导体注入的动力学过程和效率【Phys.Chem.Chem.Phys.13,131962019】。接着，他们和清华大学任俊博士、哈佛大学E.Kaxiras教授合作，分析了有机太阳能的典型界面C60/CuPc的原子构造和电子耦合。他们发现，界面处不同的分子排列方式程度或垂直对太阳光吸收性能影响不大，但对于电子能级排布却有重要作用。其中程度排列的C60/CuPc界面两层的分子能级更为接近，比垂直排列界面提供高出0.3V左右的电压。这对于进步太阳能转化效率有着重要影响。结果发表

3、在【NanoResearch5,2482019】。他们进一步研究了不含金属的纯有机分子在TiO2界面上的原子构造对形成的有机染料太阳能电池效率的影响。这类分子一般采纳Donor-Acceptor的构造，大多通过氰基丙烯cyanoacrylic基团与外表结合。虽然这一类分子得到极为广泛的应用，但其吸附构造并不清楚。此前人们普遍认为这一类有机染料与传统钌复合物染料类似，只通过羧基吸附在TiO2外表。基于第一性原理分子动力学和含时密度泛函理论计算，焦扬等与瑞士联邦理工MichaelGraetzel教授合作研究了含氰基丙烯基团的有机分子在锐钛矿TiO2101外表的吸附和电子动力学图1。通过对动力学模拟

4、得到的振动谱的详细分析和与实验得到的红外吸收谱的比较图2，他们发现氰基和羧基共同参与外表吸附，该吸附构型非常有利于太阳能源转化。计算结果说明，这种新提出的通过氰基和羧基共吸附、含有Ti-N键的外表构型在能量上最稳定图1。这改变了人们的普遍认识：氰基在吸附中起到关键作用，它对界面稳定性、电化学性质的影响往往被无视。通过电子构造计算和激发态电子动力学模拟，他们进一步研究了这种新提出的吸附构型中染料分子和外表的电子耦合、能级相对位置，以及它们对太阳能电池电压及电流的影响。光激发电子从染料分子向TiO2外表注入的动态过程说明，新构型有利于电子的快速注入并有着高量子效率，在电子构造上那么更有利于产生较高的工作电压图3，从而保证此类太阳能电池具有较高的能量转化效率10%。这些工作在原子尺度上建立了界面能源转化机制中微观构造与宏观性能的关系，对进一步从微观上调控、优化和进步太阳能转化效率提供了新的方法。相关结果发表在【AdvancedFunctionalMaterials，DOI:10.1002/a