双己基噻吩染料共敏化太阳能电池实现13.7%转换效率：分子工程调控激发态寿命与界面电荷复合

本文报道了两种新型有机光敏剂H6/H7的设计合成，通过引入不同长度烷基链（双己基/双十二烷氧基）调控分子自组装动力学，结合铜基电解质Cu(II/I)(tmby)22/1实现1.22V高开路电压（Voc）。共敏化器件（XY1b/H7）在AM1.5G标准光照下获得13.7%的功率转换效率（PCE），LED弱光条件下效率高达29.7%，为室内光伏应用提供新策略。

　　

引言

全球能源转型背景下，染料敏化太阳能电池（DSC）因其可调色透明度和弱光高效特性备受关注。传统碘电解质存在挥发性缺陷，而铜基氧化还原介质（Cu(II/I)(tmby)_22/1）可提供1.0V以上高V_oc。本文设计两种含不同长度烷基链的D-π-A型有机光敏剂H6（双己氧基）和H7（双十二烷氧基），通过分子工程优化激发态寿命与界面电荷传输。

光敏剂合成与光电特性

H6/H7以N-芳基二苯胺为供体，双己基噻吩为π桥，苯并噻二唑羧酸（BTBA）为受体。紫外光谱显示二者在445nm处摩尔消光系数超3×10⁴ M^-1cm^-1，锚定TiO₂后吸收红移至472nm（H6）和466nm（H7）。电化学测试表明HOMO能级（1.11-1.12V vs SHE）高于铜电解质氧化电位（0.87V），确保空穴注入驱动力。

自组装动力学与界面调控

染料负载动力学实验揭示6小时吸附达峰值（H6:16.83 nmol cm^-2μm^-1）。飞秒荧光衰减显示H7在TiO₂上的激发态寿命（182ps）显著长于H6（158ps），归因于长烷基链抑制非辐射复合。瞬态吸收光谱证实H7的电荷复合半衰期（1280μs）是H6（423μs）的3倍，源于分子吸附角度优化增大电荷距离。

光伏性能突破

单一染料器件中，H7凭借长烷基链的空间位阻效应，V_oc达1220mV（H6:1151mV）。共敏化策略将窄带隙染料XY1b（吸收700nm）与宽带隙H7组合，实现400-700nm全光谱捕获。优化器件获得13.7%的PCE（FF=82.1%），电荷提取测试显示其电子寿命是XY1b单器件的2倍。

弱光应用前景

在1500lux LED照明下，XY1b/H7器件展现29.7%的PCE（V_oc=857mV），优于钙钛矿参比器件（24.9%）。3-甲氧基丙腈电解质的应用进一步提升商业化可行性。

结论

该研究通过精准调控烷基链长度，开发出兼具高V_oc和长激发态寿命的光敏剂体系，为DSC在建筑光伏一体化（BIPV）和物联网（IoT）供能领域奠定基础。未来可探索烷基链拓扑结构对分子堆积的深层影响。