染料敏化太陽電池(編輯修改稿)
2025-07-17 01:05 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 界的光合系統(tǒng)的模擬，即把需要很大空間尺度的可見光吸收過程和要求高純度、小尺度以降低電子散射的電子收集過程分開，達到各自的最高效率。難題在于如何在同一系統(tǒng)同時實現(xiàn)這兩種功能以及如何有效地提高它們的效率。 染料敏化太陽能電池巧妙地利用高消光系數(shù)的染料分子吸附在氧化物納米顆粒界面來實現(xiàn)高效的太陽光吸收和電子空穴的分離收集。由于納米顆粒材料具有極大的比表面積，光吸收可比單晶表面提高1000倍以上。但是在這種納米尺度上染料分子/氧化物界面處電子空穴的分離過程和一些影響因素卻不清楚。 中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）孟勝研究員的研究團隊與瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)(Ecole Polytechnique Federale Lausanne) Efhimios Kaxiras教授合作，在原先揭示了花青苷自然染料在TiO2納米線界面有快速的電子注入的基礎(chǔ)之上[Nano Lett. 8, 3266 (2008)]，利用基于含時密度泛函電子動力學(xué)的第一性原理計算細致研究了影響染料敏化太陽能電池電子注入效率的主要因素并總結(jié)了其中的物理規(guī)律。他們的研究揭示染料分子尺寸大小、分子分解和吸附狀態(tài)、表面處原子缺陷都會影響到電子空穴分離的時間尺度從而影響負電極收集激發(fā)態(tài)電子的效率。 一直以來人們觀測到不同染料分子/TiO2界面處電子受激注入的時間尺度不一，從真空條件下最快的3fs（煙酸，Biisonicontinic acid）到器件中可能達到的100ps(釕復(fù)合物N719,三重態(tài)注入)。巨大的時間跨度意味著豐富的物理過程在發(fā)生，精確理解這些過程能幫助我們調(diào)控電子運動時間、提高光電轉(zhuǎn)化效率。比如，根據(jù)非絕熱過程中隧穿電子數(shù)隨著距離成指數(shù)衰減的規(guī)律，可以預(yù)知染料分子與氧化物半導(dǎo)體之間每增加一個(CH2)基團。用Re染料（ReC1A）做實驗得到與此基本相符的結(jié)果，但用連有1或4個苯環(huán)乙炔基團的Zn卟啉作染料做超快測量，卻沒有觀察到注入時間的明顯增加。孟勝等通過計算模擬發(fā)現(xiàn)在三種有機染料分子中較長的分子的確需要較長的注入時間，和直觀印象相符；更重要的，(對于增加(CH)2基團的情形)（增加噻吩基團）。這意味著在這種情況下絕熱過程起著主要作用，這也能夠解釋卟啉實驗的結(jié)果。 他們進一步發(fā)現(xiàn)染料分子在氧化物表面的吸附狀態(tài)極大地影響了電子注入的時間 。首先通過和實驗光譜的比較，他們確定分子存在著不分解和分解吸附兩種狀態(tài)。利用含時密度泛函實時波函數(shù)演化，他們發(fā)現(xiàn)前者比后者電子過程要慢2060fs。而且對于同樣不分解的狀態(tài)，不同吸附構(gòu)型也會導(dǎo)致電子注入時間相差3倍。分析表明這種差異主要來自于界面處電偶極矩大小不同，對于引起較大的朝上電偶極矩的吸附構(gòu)型，半導(dǎo)體導(dǎo)帶底向上推移，而且阻礙了激發(fā)態(tài)電子從分子遷移到半導(dǎo)體導(dǎo)帶上。 界面原子結(jié)構(gòu)也對電子空穴動力學(xué)有著根本影響。有機分子吸附在氧空位上吸附能增強約3倍，非常穩(wěn)定。由于存在較強的電子耦合，受光激發(fā)的電子快速注入，比在干凈表面上快23倍，在50fs左右完成。但是注入后的電子有很大幾率和分子上的空穴重新復(fù)合，從而不做有用功，降低電子收集效率。所以控制表面氧缺陷可以極大加快電子注入，但是也反過來影響導(dǎo)致電子和空穴的重新復(fù)合，降低器件效率。實驗上對類似的染料分子觀察到兩個不同時間尺度，40fs和200fs。通過和第一性原理分子電子動力學(xué)模擬結(jié)果比較，這兩種過程應(yīng)該分別對應(yīng)于有氧空位缺陷和完美表面的情形，這很好地解釋了實驗結(jié)果。 他們還對空穴過程和注入后的電子向染料分子基態(tài)的反注入過程作了研究。所有的結(jié)果都表明電子空穴在200fs以內(nèi)的時間尺度上在空間上分離，這保證了染色太陽能器件能夠正常工作；但是這個過程可以受到分子種類、大小、吸附構(gòu)型、和表面缺陷的調(diào)控，從而為精確調(diào)控微觀、超快過程、進一步優(yōu)化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率提供了基礎(chǔ)。這項研究的主要結(jié)果發(fā)表在《納米快報》（Nano Letters10, 1238 (2010)）上。（來源：中國科學(xué)院物理研究所）光化學(xué)效應(yīng)是指物質(zhì)的分子吸收了外來光子的能量后激發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。普通光與生物組織作用時，在一定條件下就可產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)。例如，視紫紅質(zhì)受光照后發(fā)生的漂白過程。人體皮膚中的麥角膽固醇在陽光作用下變成維生素D2，以及在葉綠體存在的條件下，陽光照射可使水和二氧化碳合成碳水化合物和氧氣。激光作為一種能量高度集中、單色性極好的光源，它還可以引起一些普通光不起引起的光化學(xué)效應(yīng)。 分類 光化學(xué)反應(yīng)的種類很多，它們的發(fā)生機制各不相同，但它們的一個最基本的規(guī)律是，特定的光化學(xué)反應(yīng)要特定波長的光子來引發(fā)。一般說來，可以引發(fā)生物分子產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)的是波長700nm以下的可見光和紫外光。在眼科激光治療中涉及到的光化學(xué)效應(yīng)有光切除和光輻射治療。 編輯本段光化學(xué)反應(yīng)重要作用 光化學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用所引起的永久性化學(xué)效應(yīng)的化學(xué)分支學(xué)科。由于歷史的和實驗技術(shù)方面的原因，光化學(xué)所涉及的光的波長范圍為100～1000納米，即由紫外至近紅外波段。 比紫外波長更短的電磁輻射，如 X或 γ射線所引起的光電離和有關(guān)化學(xué)變化，則屬于輻射化學(xué)的范疇。至于遠紅外或波長更長的電磁波，一般認為其光子能量不足以引起光化學(xué)過程，因此不屬于光化學(xué)的研究范疇。近年來觀察到有些化學(xué)反應(yīng)可以由高功率的紅外激光所引發(fā)，但將其歸屬于紅外激光化學(xué)的范疇。 光化學(xué)過程是地球上
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