染料敏化太阳能电池新型非碘氧化还原电对研究进展

　  在新一代薄膜太阳能电池中，染料敏化太阳能电池因其成本低廉、制作工艺简单、光电转换效率高等优点，被认为是最具市场潜力的太阳能电池之一。染料敏化太阳能电池已经成为新一代薄膜太阳能电池的研究热点。近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室孟庆波研究组和清洁能源实验室E01组陈立泉院士、李泓研究员、王兆祥研究员等合作，一直致力于染料敏化太阳能电池关键材料（光阳极、载流子传输材料、对电极）的制备及电池放大工艺的研究，在电解质方面提出了基于单碘离子导体的固态电解质，低成本、环境友好固态电解质、聚合物电解质等（Chem. Commun., 2004, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 6394； 2186；Electrochem. Commun., 2006, 8, 170；J. Am. Chem. Soc.,2006, 128, 8720；Energy Environ. Sci., 2009, 2, 283；Langmuir, 2009, 25, 4808；Electrochimica Acta 2010, 55, 895；Energy Environ. Sci., 2011, 3, in press），在碳对电极方面，采用新颖的碳材料、导电聚合物以及对电极的制备工艺方面都做了深入研究（Electrochem. Commun., 2007, 9, 596；Electrochem. Commun. 2009, 11, 1346；Carbon 2009, 47, 2704；J. Phys. Chem. C, 2010,114,11673）。这些工作受到国内外同行的广泛关注。

　  目前，染料敏化太阳能电池中的载流子传输材料主要是基于I3-/I-电对，它虽然具有电子交换速度快、与光生电子的复合速度慢等优点，但也有致命的缺点：（1）对绝大多数金属而言（如Ag，Cu，Al等常见金属），I3-表现出很强的腐蚀性，而对于大面积染料敏化太阳能电池来讲，必须采用银导电网格来降低电池的电阻、提高电流的收集效率，因此对银栅网的保护面临技术壁垒。同时，银栅网的使用又牺牲了大面积电池的有效面积，降低了电池组件窗口面积的转换效率；（2）I2单质有一定的蒸汽压，对电池的稳定性有很大的影响，对电池的封装技术有很高的要求；（3）I3-/I- 电对对可见光有一定的吸收；（4）I3- / I- 电对的使用限制了电池的开路电压的进一步提高。开发研制新型的非碘还原电对是染料敏化太阳能电池中亟待解决的重要科学问题。

　  最近，清洁能源实验室李冬梅博士等与法国CNRS的M. Armand教授合作，研究了一种在可见光范围无吸收的新型非碘氧化还原电对（tetramethylthiourea (TMTU)和 tetramethylformaminium disulphide dication ([TMFDS]2+)来替代DSSC常用的I3-/I-电对。此氧化还原电对还具有如下优点：（1）价格便宜，制备简单；（2）对于金属的腐蚀性显著降低，明显优于I3-/I-电对（如Figure 1所示）；（3）尤其适用于低成本的碳对电极，组装成电池后，电池性能达到4.5%，优于同等条件下采用Pt电极电池。另外，通过对电池的系统优化，有望获得更高的开路电压（见Figure 2）。此项工作不仅为新型非碘氧化还原电对的设计提供了新思路，而且对加速染料敏化太阳能电池实用化进程将起到促进作用。 上述研究内容发表在Adv. Funct. Mater., 2010, 20, 3358上。

　  该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院和国家科技部项目的资助。

Figure 1. Photocurrent density-photovoltage characteristics for DSCs with carbon counter electrodes on different substrates under AM 1.5 irradiation. Electrolyte: 0.03 M [TMFDS]2+, 1.5 M TMTU, 0.2 M LiClO4, 0.5 M TBP in acetonitrile.

Figure 2. Simplified energy scheme for the comparison of [TMFDS]2+/TMTU couple on glass carbon electrode and I3-/I- couple on Pt electrode for DSCs. The potentials for comparison are with the respect to the Ag+/Ag reference in acetonitrile.