【研究背景】

在所有的非鉛鈣鈦礦材料中，雙鈣鈦礦Cs2AgBiBr6已經在理論和實驗方面被證明是一種潛在的光伏材料。在已有的文獻報導中，低壓處理、反溶劑、陽離子摻雜等已經被證實是最佳化Cs2AgBiBr6薄膜的有效手段。然而，針對空穴/電子傳輸層的相關研究卻很少，這也是可以提高Cs2AgBiBr6太陽能電池能量轉化效率的潛在途徑。利用葉綠素及其衍生物作為光敏材料或空穴/電子傳輸材料製備的非鉛鈣鈦礦太陽能電池，可以提高電池的光吸收效率，並最大程度地減少環境汙染。

【工作介紹】

近日，吉林大學王曉峰教授課題組透過將一種含羧基的葉綠素衍生物（C-Chl）敏化的二氧化鈦電子傳輸層和非鉛雙鈣鈦礦材料Cs2AgBiBr6相結合的策略，製備了染料敏化—非鉛雙鈣鈦礦太陽能電池。得益於葉綠素對長波長範圍內光子的吸收，所製備的太陽能電池的外量子效率（EQE）響應從原始的300-550奈米增強並拓寬到300-750奈米。器件的能量轉化效率首次超過了3%，為雙鈣鈦礦太陽能電池的最高效率。該研究成果以《Chlorophyll Derivative-Sensitized TiO2 Electron Transport Layer for Record Efficiency of Cs2AgBiBr6 Double Perovskite Solar Cells》為題發表在國際頂級期刊Journal of the American Chemical Society。課題組博士生王寶寧為本文第一作者，王曉峰教授為本文通訊作者。

【內容表述】

將染料敏化和鈣鈦礦結合之後，電池內部的電荷傳輸路徑主要分為兩部分：（1）當Cs2AgBiBr6受到光激發時，由於C-Chl的吸附量很低，Cs2AgBiBr6和介孔二氧化鈦的表面直接接觸，處於激發態的電子能夠直接注入到介孔二氧化鈦中；（2）當C-Chl被光激發時，激發態電子會快速注入到介孔二氧化鈦中。由於Cs2AgBiBr6的LUMO能級略低於C-Chl的LUMO能級，C-Chl中剩餘的空穴可以獲得從Cs2AgBiBr6中激發出的電子。這種Z方案的電荷轉移過程在課題組之前的工作中已經多次得到證實。

圖1 電池結構及電荷傳輸路徑

圖2 器件的光學吸收及微觀形貌分析

相較於基於原始二氧化鈦作為電子傳輸層製備的太陽能電池，加入C-Chl作為光敏劑後太陽能電池的能量轉化效率從2.28%提升至3.11%，該提升主要來自於光電流密度顯著增長的貢獻,並且可以從EQE光譜中得到證實。電池的遲滯效應有明顯降低，在穩定性以及可重複性等方面均表現良好。

圖3 器件的光伏效能和穩定性

光學表徵證實了基於C-Chl作為光敏劑的器件還展現出以下優點：（1）電荷傳輸電阻減小；（2）載流子複合被抑制；（3）電池漏電被抑制；（4）在鈣鈦礦和電子傳輸層介面更高的電子抽取能力。

圖4 器件的載流子抽取能力

【結論】

綜上所述，加入了C-Chl光敏劑的太陽能電池的能量轉化效率有明顯提升，主要表現為來自葉綠素在長波長範圍對光電流密度提升的貢獻。器件的遲滯效應、載流子複合以及漏電現象得到抑制，介面間的電荷抽取能力得到提升。這種透過把染料敏化和鈣鈦礦太陽能電池相結合來提高電池光學吸收和能量轉化效率的方式，為開發低成本、穩定性好的非鉛鈣鈦礦太陽能電池提供了一條途徑，從而實現綠色能源的利用。

Wang, B.; Li, N.; Yang, L. et al. Chlorophyll Derivative-Sensitized TiO2 Electron Transport Layer for Record Efficiency Cs2AgBiBr6 Double Perovskite Solar Cells, J. Am. Chem. Soc. (2021). DOI:10.1021/jacs.0c12786