综述：高效且稳定的染料敏化太阳能电池的研究进展：最先进的材料与器件制造技术

《Coordination Chemistry Reviews》：Progress in highly efficient and stable dye-sensitized solar cells: state-of-the-art materials and device fabrication

　　Md Aftabuzzaman | Haoran Zhou | Masud | Erdi Akman | Buddha Deka Boruah | Amir Al-Ahmed | Hwan Kyu Kim
沙特阿拉伯达兰，法赫德国王石油与矿物大学可持续能源系统跨学科研究中心（IRC-SES），邮编31261

**摘要**
染料敏化太阳能电池（DSSCs）是第三代光伏技术中的领先类型，其特点是加工成本低、机械柔性好、半透明，并且在弱光和室内照明条件下的效率优异。自1991年问世以来，由于分子敏化剂、氧化还原电解质和电极架构的持续改进，这些电池在AM 1.5G阳光下的效率已超过15%，在室内照明下的效率已超过40%。这些进步源于光捕获设计、电荷传输工程和界面优化的协同发展。最近的创新，如宽带吸收敏化剂、基于钴和铜的氧化还原介质以及纳米结构对电极，显著增强了催化活性，降低了电荷传输阻力，并提高了长期稳定性。串联电池配置、准固态/固态电解质和先进的封装技术等工程策略进一步加速了DSSCs向商业化发展的进程。室内DSSCs由于与人造光的光谱匹配度理想，成为为自主物联网（IoT）和低功耗电子设备提供动力的理想选择。尽管取得了这些成就，但在平衡效率、耐用性和可扩展制造方面仍存在挑战。本文全面总结了高效稳定DSSC技术的最新进展，涵盖了工作原理、性能决定参数、尖端材料、器件架构以及将性能推向理论极限的策略，并讨论了未来的发展机遇和商业化前景。

**引言**
自1991年O’Regan和Gr?tzel发明染料敏化太阳能电池（DSSCs）以来，这类第三代光伏器件因其独特的优势而备受关注，相较于传统的硅基技术和其他新兴光伏技术具有明显优势[1]、[2]、[3]。这些优势包括制造工艺简单且成本低廉、重量轻且灵活、半透明，以及在弱光或室内条件下的卓越性能。与传统的p-n结太阳能电池不同，DSSCs通过光电化学机制工作，其中敏化剂染料吸收阳光并将电子注入宽带隙半导体（通常是介孔TiO2）中[4]。这种结构使得材料具有高度的可调性，从而为从建筑集成光伏到便携式电子设备和物联网（IoT）设备等多种应用提供了定制的光学、电子和机械特性[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。在过去三十年中，DSSC研究从实验室阶段的功率转换效率（PCE）低于8%，发展到在标准AM 1.5G光照下效率超过15%，在室内照明下效率超过40%[9]、[10]、[11]、[12]。这些显著进步得益于分子工程敏化剂、基于钴和铜的氧化还原电解质以及纳米结构对电极等材料的协同优化，以及创新设计减少了能量损失路径。同时，长期运行稳定性的显著提升也解决了DSSCs早期的局限性，使其更接近商业化应用。

DSSC的效率由几个相互依赖的参数决定：短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF），这些参数都受到光捕获能力、电子注入动力学、染料再生速率和电荷收集效率的影响[13]、[14]。能量损失可能发生在多个阶段，例如太阳能光谱的吸收不充分、电子逆向传输到电解质中的氧化物种，或导电基底的电阻损失，因此需要全面优化[4]、[15]。最近的突破包括开发具有宽吸收光谱和红移的敏化剂、实施共敏化策略、开发重组率降低且离子迁移率更高的电解质，以及设计具有更好光散射和电子传输能力的纳米结构电极[3]、[13]、[16]、[17]。同样重要的是器件工程策略的演变。通过堆叠具有互补吸收特性的多个电池组成的串联DSSCs，能够捕获更广泛的光谱范围，从而实现更高的效率[18]、[19]。新型器件配置，如固态和准固态DSSCs，通过替换易挥发的液态电解质提高了稳定性[20]、[21]、[22]。密封技术、基底柔性和可扩展打印方法的进步进一步缩小了实验室原型与实际应用之间的差距[23]、[24]、[25]、[26]。由于与人造光源的光谱匹配度高且在低光照下仍能保持高效率，室内DSSCs成为另一个令人兴奋的应用领域。通过利用在可见光区域具有强吸收能力的染料和针对低光照条件优化的电解质，室内DSSCs展示了创纪录的效率，使其成为为IoT网络中的小型自主设备供电的理想选择[4]、[7]、[8]、[27]。尽管取得了这些成就，但在实现DSSCs的全部潜力方面仍存在挑战。必须仔细权衡高效率、长期稳定性和成本效益制造之间的平衡。例如，虽然基于钴的氧化还原对可以提供较高的开路电压（Voc），但它们的染料再生速度可能比传统的碘化物/三碘化物系统慢；同样，虽然有机染料可以调节以获得最佳吸收，但在长时间光照下可能存在稳定性问题。解决这些挑战需要综合方法，结合先进材料开发、精确的器件工程和在实际运行条件下的全面稳定性测试。通过整合材料科学、电化学和器件物理学的见解，本文旨在描绘DSSC研究从早期发展至今的历程，并识别将决定其在可再生能源领域角色的技术机遇和挑战。

**DSSCs的构成和工作原理**
DSSC通常由五个主要组件组成：(1) 涂有氟掺杂氧化锡（FTO）的透明玻璃基底，提供化学稳定性和热耐久性；(2) 介孔纳米晶半导体薄膜（通常是二氧化钛TiO2），提供大面积用于染料吸附并促进电子传输；(3) 染料敏化剂，吸收阳光并产生光激发电子；(4) 氧化还原电解质或空穴传输介质。

**影响DSSCs效率的参数和因素**
DSSC的光伏性能通常通过电流密度-电压（J–V）曲线来评估（见图2），据此计算功率转换效率（PCE）：
PCE = (Jsc * Voc) / (FF * Pin)
其中Pin是入射光功率。这三个参数Jsc、Voc和FF共同决定了电池的效率。光电流由光生电子产生，理想情况下每个能量高于带隙的光子会产生一个电子。因此，电流取决于入射光子通量密度（ΦPhI）。

**敏化剂**
敏化剂是DSSCs中最重要的部分，因为它们吸收阳光并启动太阳能向电能的转换。DSSC敏化剂的分子结构通过影响关键界面过程（如电荷分离、电子注入和染料再生）来显著影响器件性能。为了实现高效率，敏化剂必须满足几个设计要求：(i) 在可见光到近红外（NIR）区域具有宽吸收范围，并具有高摩尔消光系数。

**室内DSSCs在物联网应用中的前景**
室内光伏市场正在迅速扩张，预计到2023年将达到8.5亿美元，并在未来几年内增长到100亿美元。这一增长主要由物联网设备推动，预计到2030年将有超过400亿台联网设备[391]。这些设备——从环境监测器和医疗可穿戴设备到智能家居传感器——需要能够在环境光下可靠运行的超低功耗能量采集解决方案（见图16a）[392]、[393]。

**DSSCs面临的挑战**
尽管在过去三十年中DSSCs在效率和稳定性方面取得了显著进步，但仍存在一些内在和外在挑战，限制了其实际应用，特别是在大规模户外应用中。从效率角度来看，一个主要问题是光捕获不完全——大多数传统染料在可见光区域有强烈的吸收，但在NIR区域的覆盖较差，导致大量太阳光谱未被利用。

**提高DSSCs稳定性和效率的未来前景**
由于其成本效益、适应性和在各种光照环境下的良好性能，DSSCs仍然是可持续光伏技术的有力选择。然而，为了与快速发展的下一代光伏技术竞争，DSSCs必须在光伏性能和长期稳定性方面进行显著改进。借鉴这些新兴技术，需要采取一种综合多方面的方法来解决相关问题。

**结论**
三十多年来，DSSCs已从实验室概念发展成为适用于户外和低强度室内应用的多功能光伏技术。敏化剂化学、电解质、电极工程、界面修饰、器件架构和封装方面的进步稳步提高了效率并增强了稳定性。尽管取得了这些进展，但仍存在一些限制，如光捕获不完全、界面复合以及质量传输缓慢等问题。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了韩国政府（科学技术信息通信部及未来规划部）的初级研究人员计划（NRF-2021R1A2C2006328）和沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿物大学可持续能源系统跨学科研究中心（项目编号INRE2302）的支持。此外，还得到了孟加拉国科学技术部（项目编号SRG-253406）和孟加拉国拉杰沙希大学（项目编号）的支持。