叶绿素衍生物敏化二氧化钛电子传输层提升非铅双钙钛矿材料Cs2AgBiBr6效率

【研究背景】

在所有的非铅钙钛矿材料中，双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆已经在理论和实验方面被证明是一种潜在的光伏材料。在已有的文献报导中，低压处理、反溶剂、阳离子掺杂等已经被证实是优化Cs₂AgBiBr₆薄膜的有效手段。然而，针对空穴/电子传输层的相关研究却很少，这也是可以提高Cs₂AgBiBr₆太阳能电池能量转化效率的潜在途径。利用叶绿素及其衍生物作为光敏材料或空穴/电子传输材料制备的非铅钙钛矿太阳能电池，可以提高电池的光吸收效率，并最大程度地减少环境污染。

【工作介绍】

近日，吉林大学王晓峰教授课题组通过将一种含羧基的叶绿素衍生物（C-Chl）敏化的二氧化钛电子传输层和非铅双钙钛矿材料Cs₂AgBiBr₆相结合的策略，制备了染料敏化—非铅双钙钛矿太阳能电池。得益于叶绿素对长波长范围内光子的吸收，所制备的太阳能电池的外量子效率（EQE）响应从原始的300-550纳米增强并拓宽到300-750纳米。器件的能量转化效率首次超过了3%，为双钙钛矿太阳能电池的最高效率。该研究成果以《Chlorophyll Derivative-Sensitized TiO₂ Electron Transport Layer for Record Efficiency of Cs₂AgBiBr₆ Double Perovskite Solar Cells》为题发表在国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society。课题组博士生王宝宁为本文第一作者，王晓峰教授为本文通讯作者。

【内容表述】

将染料敏化和钙钛矿结合之后，电池内部的电荷传输路径主要分为两部分：（1）当Cs₂AgBiBr₆受到光激发时，由于C-Chl的吸附量很低，Cs₂AgBiBr₆和介孔二氧化钛的表面直接接触，处于激发态的电子能够直接注入到介孔二氧化钛中；（2）当C-Chl被光激发时，激发态电子会快速注入到介孔二氧化钛中。由于Cs₂AgBiBr₆的LUMO能级略低于C-Chl的LUMO能级，C-Chl中剩余的空穴可以获得从Cs₂AgBiBr₆中激发出的电子。这种Z方案的电荷转移过程在课题组之前的工作中已经多次得到证实。 

图1 电池结构及电荷传输路径 

图2 器件的光学吸收及微观形貌分析

相较于基于原始二氧化钛作为电子传输层制备的太阳能电池，加入C-Chl作为光敏剂后太阳能电池的能量转化效率从2.28%提升至3.11%，该提升主要来自于光电流密度显著增长的贡献,并且可以从EQE光谱中得到证实。电池的迟滞效应有明显降低，在稳定性以及可重复性等方面均表现良好。 

图3 器件的光伏性能和稳定性

光学表征证实了基于C-Chl作为光敏剂的器件还展现出以下优点：（1）电荷传输电阻减小；（2）载流子复合被抑制；（3）电池漏电被抑制；（4）在钙钛矿和电子传输层界面更高的电子抽取能力。 

图4 器件的载流子抽取能力

【结论】

综上所述，加入了C-Chl光敏剂的太阳能电池的能量转化效率有明显提升，主要表现为来自叶绿素在长波长范围对光电流密度提升的贡献。器件的迟滞效应、载流子复合以及漏电现象得到抑制，界面间的电荷抽取能力得到提升。这种通过把染料敏化和钙钛矿太阳能电池相结合来提高电池光学吸收和能量转化效率的方式，为开发低成本、稳定性好的非铅钙钛矿太阳能电池提供了一条途径，从而实现绿色能源的利用。

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