與傳統的太陽能電池相比，染料敏化太陽能電池具有原材料豐富、生產過程中無毒無污染、生產成本較低、結構簡單、易于制造、生產工藝簡單、易于大規模工業化生產等優勢，在清潔能源領域具有重要的應用價值。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家的研究，在染料、電極、電解質等各方面取得了很大進展。當前，染料敏化太陽能電池的最高效率為13%，它由二氧化鈦（TiO2）作為半導體電極、鋅基卟啉和鈷作為電解液組成。當前已經達成共識，電子從染料分子注入半導體的界面轉移速率限定了染料敏化太陽能電池效率的提升。相對于過渡金屬氧化物TiO2，氧化鋅（ZnO）的電子遷移率要高2個數量級，同時它擁有與TiO2相似的能級位置和禁帶寬度，預期用ZnO替換TiO2可以顯著提高染料敏化太陽能電池的效率。然而，實驗發現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體界面處電荷轉移的機理，對這一機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，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室駱軍委課題組在Marcus電荷轉移理論的基礎上使用第一性原理計算方法對染料敏化太陽能電池中的界面電荷轉移速率進行了深入的研究。在比較了TiO2基和ZnO基染料敏化太陽能電池界面電荷轉移過程后，他們發現，TiO2和ZnO等寬禁帶半導體作為電荷轉移的受主，帶邊的各個電子態分別各自提供了有效電荷轉移通道，因此，帶邊電子態的密集程度對界面電荷轉移速率起了決定性的作用。
駱軍委課題組與伯克利國家實驗室教授汪林望合作，在Marcus電荷轉移理論的基礎上發展了界面電荷轉移速率第一性原理計算方法，利用半導體能帶理論研究了界面處電荷轉移的微觀過程。他們發現染料分子與TiO2界面處的電荷轉移速率是ZnO界面處的15倍，與實驗結果符合得很好。經過分析后發現，相對于ZnO，TiO2在導帶邊擁有密集的電子態是導致它擁有更快電荷轉移速率的主要原因，這些染料分子LUMO態和半導體LUMO態間的中間態提供了更加有效的界面電荷轉移通道，而在ZnO界面處缺少這些中間態。他們的研究結果同時排除了以往文獻中猜測的多種可能原因，如界面態的影響、染料分子和半導體間耦合系數的差別，抑或介電性質的差異等因素。總之，高導電率和高電荷界面轉移速率是兩個矛盾的性質，它們不可能在同一種材料中同時滿足，這成為了選擇半導體電極材料所面臨的一個兩難問題。最后提出，或許可以設計界面處的異質結來同時實現高導電率和高電荷界面轉移速率，進一步提高染料敏化太陽能電池效率。
該研究工作最近發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上，這一工作對于實驗設計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基金委、中組部青年千人計劃的大力支持。
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.
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