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用于染料敏化太阳能电池的烷基包裹非对称方酸菁染料：支链烷基调节染料聚集与电荷复合过程

DOI：10.1021/acsami.9b19809 期刊：ACS Applied Materials & Interfaces 出版年份：2019 更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要： 除选择合适的阳极、染料、电解质和阴极材料外，界面处的电子转移过程决定了提升染料敏化太阳能电池（DSSC）开路电压（Voc）和短路电流（Jsc）等光伏参数的关键因素。染料-二氧化钛界面低效的电荷注入过程以及二氧化钛-染料/电解质界面的电荷复合现象，对提升Jsc和Voc均产生不利影响。因此，调控改善Jsc和Voc的决定性因素是获得具有优异器件效率理想敏化剂的最佳途径。 方酸菁染料作为远红活性两性离子染料，因其较大的偶极矩而具有高摩尔消光系数和独特的聚集特性。本研究报道了一系列不对称方酸菁染料SQS1至SQS6，通过系统改变远离锚定基团的吲哚啉单元sp3-C和N原子上的烷基链，调控二氧化钛表面的染料间相互作用。支链烷基不仅有助于调节敏化剂在二氧化钛表面的自组装，还能钝化表面以抑制电荷复合过程。 染料敏化二氧化钛电极的光捕获效率（LHE）和循环伏安研究表明：通过系统增加烷基链碳原子数，可分别调控染料分子间的聚集效应与电荷跃迁过程。这种支链烷基的调控使器件效率在无共吸附剂条件下从3.82%提升至6.23%，其中Voc从672 mV（SQS1）增至718 mV（SQS6），Jsc从7.95 mA/cm2（SQS1）提升至12.22 mA/cm2（SQS6）。采用碘（I-/I3-）电解质时，染料SQS4添加共吸附剂鹅去氧胆酸（CDCA）后获得最高效率7.1%（Voc=715 mV，Jsc=13.05 mA/cm2），显著优于同类染料。IPCE谱图分析表明，二氧化钛表面聚集态方酸菁染料是光电流产生的主要贡献来源。
作者： Ambarish Kumar Singh，Munavvar Fairoos Mele Kavungathodi，Jayaraj Nithyanandhan
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研究概述 实验方案

研究目的

研究烷基对非对称方酸菁染料聚集行为的影响及其对染料敏化太阳能电池（DSSCs）光伏参数的作用，旨在通过调控染料间相互作用和电荷复合过程来提升器件效率。

研究成果

非对称方酸菁染料中烷基团的系统性变化有效控制了染料在TiO2上的聚集，通过改善电荷注入和减少复合，同时提高了开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)。该研究强调了烷基团位置和长度对优化染料敏化太阳能电池(DSSC)性能的重要性，其中SQS4染料在使用CDCA添加剂时实现了7.1%的最高效率。这些发现为通过可控聚集开发高效敏化剂提供了设计策略。

研究不足

该研究聚焦于烷基团变化对染料聚集及染料敏化太阳能电池性能的影响，但未探究不同锚定基团或二氧化钛表面改性的作用。采用碘基电解质可能限制研究结果对其他氧化还原介质的适用性。

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