與傳統(tǒng)的太陽能電池相比，染料敏化太陽能電池具有原材料豐富、生產(chǎn)過程中無毒無污染、生產(chǎn)成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、生產(chǎn)工藝簡單、易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，在清潔能源領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在過去二十多年里，染料敏化太陽能電池吸引了世界各國眾多科學(xué)家的研究，在染料、電極、電解質(zhì)等各方面取得了很大進(jìn)展。當(dāng)前，染料敏化太陽能電池的最高效率為13%，它由二氧化鈦（TiO2）作為半導(dǎo)體電極、鋅基卟啉和鈷作為電解液組成。當(dāng)前已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，電子從染料分子注入半導(dǎo)體的界面轉(zhuǎn)移速率限定了染料敏化太陽能電池效率的提升。相對(duì)于過渡金屬氧化物TiO2，氧化鋅（ZnO）的電子遷移率要高2個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)它擁有與TiO2相似的能級(jí)位置和禁帶寬度，預(yù)期用ZnO替換TiO2可以顯著提高染料敏化太陽能電池的效率。然而，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ZnO基染料敏化太陽能電池最高效率只有7.5%，這主要是由于ZnO基染料敏化太陽能電池中的界面電荷轉(zhuǎn)移速率大概只有TiO2基的十分之一。這充分反映科研人員還沒有掌握半導(dǎo)體界面處電荷轉(zhuǎn)移的機(jī)理，對(duì)這一機(jī)理的深入理解將有助于大幅提升染料敏化太陽能電池的效率。
近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室駱軍委課題組在Marcus電荷轉(zhuǎn)移理論的基礎(chǔ)上使用第一性原理計(jì)算方法對(duì)染料敏化太陽能電池中的界面電荷轉(zhuǎn)移速率進(jìn)行了深入的研究。在比較了TiO2基和ZnO基染料敏化太陽能電池界面電荷轉(zhuǎn)移過程后，他們發(fā)現(xiàn)，TiO2和ZnO等寬禁帶半導(dǎo)體作為電荷轉(zhuǎn)移的受主，帶邊的各個(gè)電子態(tài)分別各自提供了有效電荷轉(zhuǎn)移通道，因此，帶邊電子態(tài)的密集程度對(duì)界面電荷轉(zhuǎn)移速率起了決定性的作用。
駱軍委課題組與伯克利國家實(shí)驗(yàn)室教授汪林望合作，在Marcus電荷轉(zhuǎn)移理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了界面電荷轉(zhuǎn)移速率第一性原理計(jì)算方法，利用半導(dǎo)體能帶理論研究了界面處電荷轉(zhuǎn)移的微觀過程。他們發(fā)現(xiàn)染料分子與TiO2界面處的電荷轉(zhuǎn)移速率是ZnO界面處的15倍，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于ZnO，TiO2在導(dǎo)帶邊擁有密集的電子態(tài)是導(dǎo)致它擁有更快電荷轉(zhuǎn)移速率的主要原因，這些染料分子LUMO態(tài)和半導(dǎo)體LUMO態(tài)間的中間態(tài)提供了更加有效的界面電荷轉(zhuǎn)移通道，而在ZnO界面處缺少這些中間態(tài)。他們的研究結(jié)果同時(shí)排除了以往文獻(xiàn)中猜測的多種可能原因，如界面態(tài)的影響、染料分子和半導(dǎo)體間耦合系數(shù)的差別，抑或介電性質(zhì)的差異等因素。總之，高導(dǎo)電率和高電荷界面轉(zhuǎn)移速率是兩個(gè)矛盾的性質(zhì)，它們不可能在同一種材料中同時(shí)滿足，這成為了選擇半導(dǎo)體電極材料所面臨的一個(gè)兩難問題。最后提出，或許可以設(shè)計(jì)界面處的異質(zhì)結(jié)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電率和高電荷界面轉(zhuǎn)移速率，進(jìn)一步提高染料敏化太陽能電池效率。
該研究工作最近發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上，這一工作對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)高效率的染料敏化太陽能電池具有重要意義。
博士后韋海是該論文的第一作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中組部青年千人計(jì)劃的大力支持。
論文信息: Wei, H.; Luo, J.W.; Li, S.S.; Wang, L.W., J. Am. Chem. Soc., 138(26), 8165–8174 (2016). doi: 10.1021/jacs.6b03524.
半導(dǎo)體所揭示半導(dǎo)體界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理
