微觀尺度染料敏化太陽能電池電子空穴動力學規律揭示

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）孟勝研究員的研究團隊與瑞士聯邦理工大學Efhimios Kaxiras教授合作，在原先揭示了花青苷自然染料在TiO2納米線界面有快速的電子注入的基礎之上【Nano Lett. 8, 3266 (2008)】，利用基于含時密度泛函電子動力學的第一性原理計算，細致研究了影響染料敏化太陽能電池電子注入效率的主要因素并總結了其中的物理規律。他們的研究揭示，染料分子尺寸大小、分子分解和吸附狀態、表面處原子缺陷都會影響到電子空穴分離的時間尺度從而影響負電極收集激發態電子的效率。這項研究的主要結果發表在Nano Letters 10, 1238 (2010)上。

　　染料敏化太陽能電池被認為是二十一世紀可能取代化石能源的可再生、低能耗（價格）的關鍵能源技術之一。很大程度上，它的優越性來源于對自然界的光合系統的模擬，即把需要很大空間尺度的可見光吸收過程和要求高純度、小尺度以降低電子散射的電子收集過程分開，達到各自的最高效率。難題在于如何在同一系統同時實現這兩種功能以及如何有效地提高它們的效率。

　　染料敏化太陽能電池巧妙地利用高消光系數的染料分子吸附在氧化物納米顆粒界面來實現高效的太陽光吸收和電子空穴的分離收集。由于納米顆粒材料具有極大的比表面積，光吸收可比單晶表面提高1000倍以上。但是在這種納米尺度上染料分子/氧化物界面處電子空穴的分離過程和一些影響因素卻不清楚。

　　一直以來，人們觀測到不同染料分子/TiO2界面處電子受激注入的時間尺度不一，從真空條件下最快的3fs（煙酸，Bi-isonicontinic acid）到器件中可能達到的100ps(釕復合物N719，三重態注入)。巨大的時間跨度意味著豐富的物理過程在發生，精確理解這些過程能幫助我們調控電子運動時間、提高光電轉化效率。比如，根據非絕熱過程中隧穿電子數隨著距離成指數衰減的規律，可以預知染料分子與氧化物半導體之間每增加一個(CH2)基團，電子注入時間增加3.3倍。用Re染料 （ReC1A）做實驗得到與此基本相符的結果，但用連有1或4個苯環乙炔基團的Zn卟啉作染料做超快測量，卻沒有觀察到注入時間的明顯增加。孟勝等通過計算模擬發現在三種有機染料分子中較長的分子的確需要較長的注入時間和直觀印象相符；更重要的，這種時間增長僅有1.2倍【對于增加(CH)2基團的情形】和1.3倍（增加噻吩基團）。這意味著在這種情況下絕熱過程起著主要作用，這也能夠解釋卟啉實驗的結果。

　　他們進一步發現，染料分子在氧化物表面的吸附狀態極大地影響了電子注入的時間。首先通過和實驗光譜的比較，他們確定分子存在著不分解和分解吸附兩種狀態。利用含時密度泛函實時波函數演化，他們發現前者比后者電子過程要慢20-60fs。而且對于同樣不分解的狀態，不同吸附構型也會導致電子注入時間相差3倍。分析表明，這種差異主要來自于界面處電偶極矩大小不同，對于引起較大的朝上電偶極矩的吸附構型，半導體導帶底向上推移，而且阻礙了激發態電子從分子遷移到半導體導帶上。

　　界面原子結構也對電子空穴動力學有著根本影響。有機分子吸附在氧空位上吸附能增強約3倍，非常穩定。由于存在較強的電子耦合，受光激發的電子快速注入，比在干凈表面上快2-3倍，在50fs左右完成。但是注入后的電子有很大幾率和分子上的空穴重新復合，從而不做有用功，降低電子收集效率。所以控制表面氧缺陷可以極大加快電子注入，但是也反過來影響導致電子和空穴的重新復合，降低器件效率。實驗上對類似的染料分子觀察到兩個不同時間尺度，40fs和200fs.通過和第一性原理分子電子動力學模擬結果比較，這兩種過程應該分別對應于有氧空位缺陷和完美表面的情形，這很好地解釋了實驗結果。

　　他們還對空穴過程和注入后的電子向染料分子基態的反注入過程作了研究。所有的結果都表明電子-空穴在200fs以內的時間尺度上在空間上分離，這保證了染色太陽能器件能夠正常工作；但是這個過程可以受到分子種類、大小、吸附構型、和表面缺陷的調控，從而為精確調控微觀、超快過程、進一步優化太陽能電池光電轉化效率提供了基礎。 

　　該項工作受到中科院“百人計劃”、知識創新重要方向項目的支持。

　　圖1 三種有機分子的光學吸收譜。紅線、藍線分別對應于分解和不分解狀態

　　圖2 同一有機染料分子在TiO2表面的各種吸附構型和電子態分布

　　圖3 電子-空穴動力學

　　圖4 有氧空位缺陷時的電子注入過程和可能的電子-空穴復合過程