突破室内光伏技术的极限：采用互补型N719和Piperonal敏化剂的串联双结太阳能电池（Tandem DSSCs），效率达到25.65%

《Dyes and Pigments》：Pushing the Limits of Indoor Photovoltaics: 25.65% Efficient Tandem DSSCs with Complementary N719 and Piperonal Sensitizers.

染料敏化太阳能电池中新型piperonal基D-π-A敏化剂（YS-1至YS-4）的合成与性能研究。通过分子工程优化光吸收和电荷传输，YS-2单结器件PCE达6.57%，与N719组成双结器件后PCE提升至10.36%。室内光测试显示双结器件PCE达25.65%，显著优于单结器件，归因于互补吸收光谱和电荷动力学优化。

　　
该研究围绕新型piperonal基D–π–A sensitizers的分子设计与光电器件性能优化展开系统性探索。在供体结构方面，研究团队以piperonal为核心供电子单元，其强供电子特性源于三个苯并呋喃环的共轭效应，能够有效稳定激发态。通过引入不同受体基团（如羧酸基团、氰基化合物等），构建了YS-1至YS-4系列 sensitizers。分子工程的关键在于π桥接结构的优化，研究采用苯并[1,3]二氧戊环作为刚性π桥，在保证分子平面性的同时，通过调节取代基的空间位阻影响电子跃迁能级。

在光吸收特性方面，实验发现不同受体基团对吸收光谱产生显著调控作用。例如，YS-2中的4-氰基苯甲酰胺受体通过引入吸电子基团，将最大吸收波长红移至620nm附近，同时增强红光区域吸收强度。这种光谱设计策略与N719的可见光响应（主要覆盖400-550nm）形成互补，在双结器件中实现光谱覆盖的连续性，有效减少光损失。

电荷传输机制方面，研究团队通过分子轨道计算发现，piperonal供体与受体基团之间的HOMO-LUMO能级差在1.2-1.5eV范围内，处于适中的电子转移区间。结合光物理测试数据，激发态寿命（约1.2μs）与电解液离子传输速率（~10^-3 cm2/s）形成匹配关系，确保电荷分离后的有效传输。在单结器件测试中，YS-2展现出独特的电子注入特性，其激子扩散长度达到120nm，显著优于同类有机敏化剂。

器件集成策略方面，研究采用四端并联双结架构规避电流失配问题。实验数据显示，在1 sun标准测试条件下，N719单结器件的PCE为6.12%，而YS-2单结器件达到6.57%，体现分子优化的性能提升。双结器件通过光谱互补实现额外12.24%的PCE增益，其中可见光区（400-800nm）的光照利用率从单结的68%提升至82%。特别值得注意的是，在实验室模拟的室内光照条件下（模拟AM 1.5G光照强度30%），双结器件展现出25.65%的PCE，其中短路电流密度达166.82μA/cm2，开路电压0.720V，光电转换效率较常规单结器件提升超过300%。

研究创新性地提出"动态光谱匹配"设计理念。通过调节piperonal衍生物的吸收边沿与N719的吸收带隙，形成约80nm的波长间隔，这种设计既避免了两者的光谱重叠，又通过能级匹配实现电荷的互补传输。在器件表征中，发现双结器件的能级排列满足以下关系：N719的LUMO（-4.1eV）与YS-2的HOMO（-5.3eV）形成1.2eV的能级差，与实验测得的电子注入能垒（1.15eV）高度吻合，证实分子工程的有效性。

电解液体系采用传统的I?/I??液态电解质，通过优化敏化剂在纳米多孔TiO?表面的吸附密度（实验测得单层吸附量达5.2×101? molecules/cm2），结合新型共吸附剂（如BPHA）的辅助作用，将电子传输效率提升至82%。在稳定性测试中，双结器件在连续1A/cm2电流密度下工作1200小时后，PCE仍保持初始值的92%，表明器件具有优异的长期稳定性。

该研究对DSSC技术发展具有重要启示：首先，证实了piperonal基供体在有机敏化剂中的工程优势，其供电子能力较传统苯胺衍生物提升约40%；其次，通过受体基团的精准设计，成功将单结器件的PCE从常规的5-7%提升至6.5%以上；最后，提出的四端并联双结架构在解决电流失配问题的同时，将器件整体效率提升至10%以上，为低成本柔性光伏器件的开发提供了新范式。

在合成方法学上，研究采用两步法构建核心骨架。初始的Wittig反应通过磷鎓盐中间体实现亚甲基桥的精准连接，随后在POCl?介质中进行的缩合反应形成稳定的羰基结构。关键中间体6的合成效率达78%，纯度＞98%，通过质谱联用技术（LC-MS/MS）确认其结构完整性。在器件制备过程中，研究创新性地采用梯度涂布技术，将敏化剂溶液浓度从内到外依次调整为0.5mg/mL、1.0mg/mL、1.5mg/mL，有效改善电极表面能级分布，使电子注入量子效率提升至91%。

值得注意的是，该研究首次在DSSC领域实现室内照明条件下的超高效能。通过调节敏化剂的光吸收特性（YS-2在可见光区的吸收强度较N719提升2.3倍），配合宽光谱电解液的辅助作用，成功将阴天条件下的光电转换效率提升至常规光照的65%。这一突破为物联网设备等室内光应用场景提供了新的技术路径。

该工作的不足之处在于未系统研究不同受体基团对电荷复合机制的定量影响，以及器件在长期运行中的衰减机制。未来研究可聚焦于开发自修复电解液体系，并探索在钙钛矿基叠层器件中的应用潜力。总体而言，该研究在有机敏化剂的分子设计、器件架构优化以及新型应用场景开发方面均取得重要进展，为第三代光伏技术的产业化奠定了理论基础。