通过铁改进燃料敏化太阳能电池

研究人员已经研发出一种可以提高技术中敏化剂性能的新型化合物，以补充当前的光伏技术。

科学家们将敏化太阳能电池作为当前光伏系统的一种低成本补充。然而，研究人员一直在寻找一些对环境友好的环保材料，提高性能，从而实现自己的承诺。

现在，瑞士伯尔尼大学（University of Basel in Switzerland）的研究团队发现一种方法，一种对环境影响最小的常见金属铁来研发敏化剂，敏化剂则是电池中非常关键的元素。敏化剂是一种色彩浓烈的化合物，可以通过释放电子并将其‘注入’到半导体内吸收光并将其能量转化为电能。

虽然研究人员已经知悉铁开发敏化剂的良好基础，但是他们仍需要克服一些挑战才能实现这一目标。事实上，专家长期以来认为在这些应用中使用铁化合物是不可能的，因为铁化合物在光吸收后的受击状态寿命太短，可能无法用于能源生产。

研究人员表示，因此，直到现在用于敏化太阳能电池的敏化剂要么寿命相对较短，要么需要使用非常罕见并且昂贵的金属。

然而，7年前，研究人员研发了一种新型铁化合物，命名为 N-heterocyclic carbenes（NHCs），NHCs可以延长半导体释放足够多电子以产生电能所需的状态。

这解决了使用铁作为敏化剂的一个问题；但是，在用带有染料敏化的半导体表面的过程中仍然还有其他问题需要解决，在这一过程中，受染料分子的性质、电极浸渍液的溶剂和敏化时间的影响，研究人员在《Dalton Transactions》杂志上发表的一篇论文摘要中观察到了这一现象。

研究人员写道：“如果染料分子之间太过接近，染料与染料之间可能会相互影响，从而影响电荷特性。染料聚集是分子间相互作用的结果。这种限制可以通过添加共吸附剂，例如鹅去氧胆酸（chenodeoxycholic）或在染料结构中使用烷基间隔基（alkyl spacers）来克服。”

研究人员还写道，另一个问题的出现可能是在染色浴溶液中存在过多的染料分子，导致半导体表面形成多层膜。在这种情况下，必须要优化染色浴浓度与浸泡时间。

考虑到影响过程的多种因素，该大学化学系项目负责人Mariia Becker解释说：“我们知道我们必须要研发出可以附着在半导体表面的材料，这种材料的特性可以同时允许优化表面上功能性吸光组件的布置。”

未来电池的潜力

他们说，为了解决这些挑战，研究人员通过使用新的同质性和异质性铁NHC材料研发出一种新型敏化剂，他们使用双管齐下的方法创建了这种材料。

首先，他们将羧酸基（carboxylic acid groups），比如在醋里发现的羧酸基加入到铁化合物中，使其与半导体表面结合。其次，他们通过添加长碳链使表面层更流动、更加容易固定，使制造的化合物更‘丝滑’。

总体而言，研究显示了利用铁在燃料敏化太阳能电池中创造的可能性，研究人员将有很长的一段路要走，因为他们的原型只实现了总体效率的1%。相比之下，商用太阳能电池的效率为20%。

Becker在新闻发言中说：“尽管如此，该结果代表了一个里程碑，这将鼓励人们对这些新材料进行进一步研究。”

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2022.2.14

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