在新一代薄膜太陽能電池中，染料敏化太陽能電池因其成本低廉、制作工藝簡單、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具市場潛力的太陽能電池之一。染料敏化太陽能電池已經(jīng)成為新一代薄膜太陽能電池的研究熱點。近年來，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室孟慶波研究組和清潔能源實驗室E01組陳立泉院士、李泓研究員、王兆祥研究員等合作，一直致力于染料敏化太陽能電池關(guān)鍵材料（光陽極、載流子傳輸材料、對電極）的制備及電池放大工藝的研究，在電解質(zhì)方面提出了基于單碘離子導(dǎo)體的固態(tài)電解質(zhì)，低成本、環(huán)境友好固態(tài)電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)等（Chem. Commun., 2004, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 6394； 2186；Electrochem. Commun., 2006, 8, 170；J. Am. Chem. Soc.,2006, 128, 8720；Energy Environ. Sci., 2009, 2, 283；Langmuir, 2009, 25, 4808；Electrochimica Acta 2010, 55, 895；Energy Environ. Sci., 2011, 3, in press），在碳對電極方面，采用新穎的碳材料、導(dǎo)電聚合物以及對電極的制備工藝方面都做了深入研究（Electrochem. Commun., 2007, 9, 596；Electrochem. Commun. 2009, 11, 1346；Carbon 2009, 47, 2704；J. Phys. Chem. C, 2010,114,11673）。這些工作受到國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。

　  目前，染料敏化太陽能電池中的載流子傳輸材料主要是基于I3-/I-電對，它雖然具有電子交換速度快、與光生電子的復(fù)合速度慢等優(yōu)點，但也有致命的缺點：（1）對絕大多數(shù)金屬而言（如Ag，Cu，Al等常見金屬），I3-表現(xiàn)出很強(qiáng)的腐蝕性，而對于大面積染料敏化太陽能電池來講，必須采用銀導(dǎo)電網(wǎng)格來降低電池的電阻、提高電流的收集效率，因此對銀柵網(wǎng)的保護(hù)面臨技術(shù)壁壘。同時，銀柵網(wǎng)的使用又犧牲了大面積電池的有效面積，降低了電池組件窗口面積的轉(zhuǎn)換效率；（2）I2單質(zhì)有一定的蒸汽壓，對電池的穩(wěn)定性有很大的影響，對電池的封裝技術(shù)有很高的要求；（3）I3-/I- 電對對可見光有一定的吸收；（4）I3- / I- 電對的使用限制了電池的開路電壓的進(jìn)一步提高。開發(fā)研制新型的非碘還原電對是染料敏化太陽能電池中亟待解決的重要科學(xué)問題。

　  最近，清潔能源實驗室李冬梅博士等與法國CNRS的M. Armand教授合作，研究了一種在可見光范圍無吸收的新型非碘氧化還原電對（tetramethylthiourea (TMTU)和 tetramethylformaminium disulphide dication ([TMFDS]2+)來替代DSSC常用的I3-/I-電對。此氧化還原電對還具有如下優(yōu)點：（1）價格便宜，制備簡單；（2）對于金屬的腐蝕性顯著降低，明顯優(yōu)于I3-/I-電對（如Figure 1所示）；（3）尤其適用于低成本的碳對電極，組裝成電池后，電池性能達(dá)到4.5%，優(yōu)于同等條件下采用Pt電極電池。另外，通過對電池的系統(tǒng)優(yōu)化，有望獲得更高的開路電壓（見Figure 2）。此項工作不僅為新型非碘氧化還原電對的設(shè)計提供了新思路，而且對加速染料敏化太陽能電池實用化進(jìn)程將起到促進(jìn)作用。 上述研究內(nèi)容發(fā)表在Adv. Funct. Mater., 2010, 20, 3358上。

　  該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和國家科技部項目的資助。

Figure 1. Photocurrent density-photovoltage characteristics for DSCs with carbon counter electrodes on different substrates under AM 1.5 irradiation. Electrolyte: 0.03 M [TMFDS]2+, 1.5 M TMTU, 0.2 M LiClO4, 0.5 M TBP in acetonitrile.

Figure 2. Simplified energy scheme for the comparison of [TMFDS]2+/TMTU couple on glass carbon electrode and I3-/I- couple on Pt electrode for DSCs. The potentials for comparison are with the respect to the Ag+/Ag reference in acetonitrile.