近年來，鈣鈦礦材料在光伏等領域引起了越來越多的關注，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率也在迅速提升，然而傳統的鈣鈦礦材料中鉛的存在始終是制約其大規模應用的因素之一。儘管封裝等技術可以一定程度上解決鉛的洩露問題，然而，想要徹底擺脫鉛對於環境的汙染，開發新的非鉛鈣鈦礦材料才能夠從根本上解決這一問題。作為非鉛鈣鈦礦材料的一個重要分支，應用雙鈣鈦礦材料製備的太陽能電池能夠兼顧能量轉化效率和穩定性，其代表Cs2AgBiBr6已經被國內外多個課題組證明是一種潛在的光伏材料，應用其製備的太陽能電池亦有良好的表現。在已有的文獻報導中，許多針對最佳化Cs2AgBiBr6薄膜質量的策略對鈣鈦礦太陽能電池的光伏效能有明顯提升。然而由於材料具有較大的禁頻寬度，只能吸收短波長範圍的光子，極大地限制了基於其製備的太陽能電池的光電流以及能量轉化效率。

吉林大學團隊開發的染料敏化-非鉛雙鈣鈦礦太陽能電池很好的彌補了上述缺憾。在該體系中，葉綠素衍生物和鈣鈦礦材料可同時作為光敏材料並分別吸收不同波段的光子。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。同時，利用葉綠素及其衍生物作為光敏材料/電子傳輸材料製備的非鉛鈣鈦礦太陽能電池，可以最大程度地減少環境汙染。

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：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；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。

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作為敏化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。此外，電池內部載流子複合得到抑制，電荷傳輸電阻明顯降低，電池的遲滯效應也有明顯減小，在穩定性以及可重複性等方面均表現良好。

這一成果近期發表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是吉林大學物理學院博士研究生王寶寧。

Chlorophyll Derivative-Sensitized TiO2 Electron Transport Layer for Record Efficiency Cs2AgBiBr6 Double Perovskite Solar Cells

Baoning Wang, Na Li, Lin Yang, Chunxiang Dall’Agnese, Ajay Kumar Jena, Shin-ichi Sasaki, Tsutomu Miyasaka, Hitoshi Tamiaki, Xiao-Feng Wang

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c12786

王曉峰博士簡介

王曉峰，吉林大學物理學院教授。2006年於日本關西學院大學取得博士學位，2006年至2008年在日本關西學院大學從事博士後研究工作，2008年至2009年任日本國立產業技術綜合研究所特別研究員，2009年至2010年在日本國立歧阜大學任產官學聯協研究員，2010年至2014年在日本國立山形大學任助理教授，2014年起就職于吉林大學。

研究領域包括新型太陽能電池的製備、基於二維層狀材料的光催化制氫的研究以及鋰離子電池為代表的儲能電池商業化產品效能改進。至今共發表了包括Energy & Environ. Sci.、 J. Am. Chem. Soc.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.等知名雜誌在內的SCI論文90餘篇，累計他引2000多次，H指數30。另外著有斯普林格出版社高效率太陽能電池專著一章，獲得已授權日本專利2項。