新型胆酸衍生物助蓝色染料敏化太阳能电池性能跃升

为解决染料聚集问题，研究人员探索胆酸衍生物作共吸附剂，提升 DPP 基蓝染料 DSC 性能，意义重大。

　　在能源领域，随着全球对可持续能源的狂热追求，太阳能光伏技术发展得如火如荼。想象一下，未来的建筑外墙、窗户都能变成太阳能收集器，不仅美观还能自给自足地发电，这是多么令人期待的场景！而半透明太阳能电池，作为建筑一体化光伏（BIPV）的潜力之星，有望实现这一愿景。在众多薄膜技术中，染料敏化太阳能电池（DSC）因其能打造出多彩、半透明的光伏窗户，备受关注。不过，它也面临着一个棘手的难题：在追求高效收集太阳能光谱中近紫外和近红外区域光线的同时，还要保持在可见光范围内的透明度，这就像走钢丝一样，需要在功率转换效率和美观之间找到完美平衡。

二酮吡咯并吡咯（DPP）基蓝色染料在这方面展现出了一定的潜力，它既能高效吸收光谱中红色和近红外部分的光，又能呈现出迷人的蓝色。然而，它却被一个 “小恶魔” 缠身 —— 在光阳极表面容易聚集。这一聚集现象可不得了，会引发分子间电荷转移，严重影响电子注入效率，进而导致功率转换效率大幅下降，就像给原本顺畅的电流之路设置了重重障碍。

为了攻克这个难题，来自英国纽卡斯尔大学（School of Natural and Environmental Science, Newcastle University）和哥斯达黎加大学（Centro de Investigación en Electroquímica y Energiá Química (CELEQ), Universidad de Costa Rica）的研究人员 Kezia Sasitharan、Allan J. Mora Abarca 等人展开了深入研究。他们将目光投向了胆酸衍生物，试图把它作为新型共吸附剂，来缓解染料聚集问题，提升基于 DPP 的蓝色染料太阳能电池的性能。研究成果发表在《Communications Chemistry》上。

研究人员在此次研究中，运用了多种技术方法。在材料合成方面，通过一系列复杂的化学反应合成了胆酸衍生物共吸附剂。在电池性能表征上，采用电流 - 电压测量、入射光子 - 电流转换（IPCE）光谱、瞬态光电压和电荷收集测量、时间分辨光致发光光谱（TRPL）、电化学阻抗谱（EIS）以及染料负载量测定等技术，从不同角度全面地研究了共吸附剂对太阳能电池性能的影响。

下面来看看具体的研究结果：

1. 大体积共吸附剂对染料在介孔二氧化钛上覆盖的影响：研究人员在共吸附剂分子的 3-β 位置引入大体积取代基，形成 BIAC（01C、03L 和 05Q）结构。从 UV-Vis 光谱可知，共吸附剂虽未改变染料的吸收峰位置，但降低了吸收强度，这表明 3β 取代基对染料分子的吸附有显著影响。通过测量染料吸附动力学发现，与传统的鹅去氧胆酸（CDCA）共吸附剂不同，新型共吸附剂会使染料的吸附量随共吸附剂浓度增加先降低，后趋于稳定，这说明大体积取代基能有效阻碍染料吸附，更好地分离染料分子。
2. 共吸附剂对太阳能电池效率的影响：研究人员制备了添加和未添加共吸附剂的 DSC。结果显示，所有共吸附剂都能提高电池效率，且大体积共吸附剂的效果明显优于 CDCA。比如，使用 BIAC03L 共吸附剂的优化器件，功率转换效率（PCE）达到 7.56% ，短路电流密度（J_SC）增加了 30%，开路电压（V_OC）提高了 30mV。通过瞬态光电压分析发现，添加大体积共吸附剂的电池电子复合寿命更长，这意味着注入的电子与钴电解质的反向反应得到了更有效的抑制。
3. 共吸附剂在共敏化太阳能电池中的作用：研究人员选择常用的蓝色染料共敏化剂 D35 与 Dyenamo Blue（DB）共同研究。结果表明，使用 BIAC03L 共吸附剂的共敏化电池性能最佳，PCE 达到 7.37%。从 IPCE 光谱来看，共吸附剂能抑制 DB 在 TiO₂薄膜上的聚集，使 500 - 600nm 波长范围内的 IPCE 值显著提高。TRPL 光谱测量发现，添加共吸附剂后，染料的光致发光寿命延长，这表明非辐射分子间复合受到抑制，染料分子排列更有序。
4. 界面电荷转移特性：通过 EIS 研究发现，使用 BIAC03L 共吸附剂的电池，其电荷复合电阻最高，化学电容值也最大，这意味着该电池的界面复合最慢，能有效减少 TiO₂中电子与电解质之间的复合，从而提高光电压。
5. 共吸附剂对横向分子间电子相互作用的影响：研究人员通过溶液研究和将染料与共吸附剂接枝到二氧化锆薄膜上的实验发现，共吸附剂能改变染料的激发态寿命和动力学。在溶液中，共吸附剂会使染料的激发态寿命发生变化；在二氧化锆薄膜上，共吸附剂能抑制染料分子间的横向相互作用，且大体积共吸附剂 BIAC03L 的效果更明显。

综合研究结论和讨论部分，此次研究成果意义非凡。研究人员成功合成了一系列具有独特超分子特征的新型共吸附剂，在 3-β 位置引入大体积取代基，有效缓解了染料聚集带来的负面影响。使用这些共吸附剂的太阳能电池，在 PCE、J_SC、V_OC等关键性能指标上都有显著提升，为开发高性能蓝色染料基半透明混合太阳能电池开辟了新途径，有望推动染料太阳能电池在建筑一体化光伏领域的广泛应用，让未来的建筑真正实现能源自给自足的绿色梦想。