染料敏化太阳能电池经过20多年的发展，目前已经实现在标准AM1.5G太阳光辐照下认证光电功率转化效率（PCE）12.3%。这种太阳能电池还可以非常高效地利用散射光，在室内光下的PCE已经超过30%，优于传统薄膜光伏，有机太阳能电池，以及含铅钙钛矿太阳能电池。染料敏化太阳能电池的大面积制备技术渐趋成熟。采用低成本的丝网印刷技术，染料敏化太阳能电池单个模组的面积已经超过一平方米。从商业角度来看，彩色半透明染料敏化太阳能电池非常适合分散式能源供应，可以应用于玻璃幕墙，天窗以及温室。2014年，瑞士洛桑市的SwissTec会议中心的一面玻璃幕墙安装了由瑞士Solaronix公司生产的200平方米的半透明多色彩的染料敏化太阳能电池模组。这些太阳能电池不仅提供2000kWh的年发电量，而且使建筑物美观。2017年，奥地利格拉茨市的Science Tower上安装了由瑞士H.Glass公司生产的1000平方米的半透明红色的染料敏化太阳能电池模组为建筑提供电能。

由于人类眼睛对绿光敏感，绿色半透明染料敏化太阳能电池具有更好的透明性和美观。目前绿色染料敏化太阳能电池通常采用锌卟啉染料。但这类染料的生产制备过程使用毒性高的原材料，产物的产率低且提纯难，使生产成本很高。并且，基于绿色锌卟啉染料的太阳能电池结合离子液体电解质的功率转化效率低，稳定性差，不适于户外实际应用。近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Grätzel教授和曹祎明博士联合浙江大学王鹏教授的研究团队提出了用一种蓝染料结合离子液体电解质，实现高效稳定的绿色半透明染料敏化太阳能电池。并且通过调节TiO2薄膜或者电解质层的厚度，使半透明电池的颜色从黄绿色到绿色到青色连续调控。基于蓝色染料的稳定绿色半透明电池，在AM1.5G 100 mW cm-2太阳光照下，器件效率可以高达8%，比经典的锌卟啉染料YD2-o-C8器件提高29%。相关论文发表在Advanced Materials 杂志上，第一作者为任垭萌（Yameng Ren）博士。

在该工作中，研究者基于此前浙江大学王鹏教授团队精心开发的蓝色染料R6（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2405-2408）染色2微米厚度的TiO2介孔薄膜，结合黄色的碘离子/碘三离子氧化还原电对离子液体电解质，得到绿色的半透明染料敏化太阳电池。通常，染料敏化太阳能电池采用红色、绿色或者蓝色的染料得到的电池呈现相应的红色、绿色或者蓝色。该工作首次报道蓝色染料结合黄色电解质实现绿色染料敏化太阳能电池。通过增加R6敏化TiO2薄膜厚度，电池的颜色可以从黄绿色变到绿色，再变到青色。通过减少电解质层的厚度，电池的颜色从黄绿色趋向绿色。如果用红色的有机染料Y123或者绿色的锌卟啉染料YD2-o-C8，通过增加敏化TiO2薄膜的厚度，半透明电池的颜色只能从浅红色或浅绿色变成相应的深红色或深绿色。与基于YD2-o-C8的半透明染料敏化太阳电池相比，基于蓝色染料R6的绿色半透明染料敏化电池具有较高的PCE，并且在一个太阳光照下或80oC暗处热老化下长达1000小时具有明显优越的稳定性。老化后，基于R6的绿色电池的颜色几乎不发生变化，但基于YD2-o-C8的绿色电池颜色变浅。该工作为染料敏化太阳能电池领域的染料开发和器件色彩调控研究提供了新思想。

染料敏化太阳能电池的优点之一是其色彩的丰富性。然而，在过去的20多年里，染料敏化太阳电池的色彩很少被研究，而且新染料的开发者通常忽视了染料在器件中的色彩表现。该工作的发表鼓励该领域的研究者重视器件色彩的研究，为染料敏化太阳能电池未来的商业化应用提供数据参考。

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A Blue Photosensitizer Realizing Efficient and Stable Green Solar Cells via Color Tuning by the Electrolyte

Yameng Ren, Yiming Cao, Dan Zhang, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Peng Wang, Michael Grätzel

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000193

导师介绍

Michael Grätzel

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