基于天然染料的柔性染料敏化太阳能电池的开发：V?O?干凝胶和聚苯胺的光学性质

柔性染料敏化太阳能电池中钒 pentoxide-xerogel阳极与聚苯胺阴极的协同效应及天然染料的光电特性研究。

　　

Bruno L. da Silva | D.T. Cestarolli | E.M. Guerra

圣若昂德尔雷联邦大学化学、生物技术与生物过程工程系 – Alto Paraopeba校区，MG 443公路07公里处，CEP 36497-899，Ouro Branco，MG州，巴西

摘要

染料敏化太阳能电池作为一种第三代光伏技术，因其低成本生产和灵活性而具有巨大潜力。本研究开发了完全柔性的染料敏化太阳能电池（DSSCs），使用了五氧化二钒（V₂O₅）干凝胶作为光阳极、聚苯胺（PANI）作为对电极，以及从黑莓、李子、甜菜根和草莓中提取的天然染料。尽管这些天然染料已分别被报道过，但将它们整合到基于V₂O₅和PANI的完全柔性架构中，并详细分析其光学性质与器件性能之间的关联，目前仍研究较少。本研究通过对各组分的光学性质进行彻底研究，填补了这一空白。紫外-可见光谱（UV-Vis）显示，黑莓和甜菜根提取物在可见光区域（530-538纳米）具有强吸收特性。通过Tauc方法测得的带隙能量分别为V₂O₅的2.30 eV、PANI的3.35 eV，而染料的带隙能量在2.00至2.21 eV之间。循环伏安法用于确定最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）的能量水平，证实了光激发染料向V₂O₅导带注入电子的热力学可行性。制备的电池的光伏性能与染料的光学吸收和能量水平对齐情况直接相关。使用黑莓染料敏化的电池实现了最高的功率转换效率（1.026%），这归因于其理想的带隙、强可见光吸收和有利的LUMO水平。本研究表明，基于天然染料的光学和电子性质进行系统选择和表征对于开发高效、低成本且柔性的太阳能电池至关重要，为未来基于生物的光伏器件优化提供了宝贵见解。

引言

多年来，涉及DSSCs的研究取得了显著进展，表明它们在双面光照吸收能力方面具有很高的光捕获效率[1]。根据国际能源署（IEA）发布的《2022年世界能源展望》报告，到2040年，可再生能源将占据全球发电投资的约三分之二，对许多国家而言，这将是成本更低的能源来源。主要由中国和印度推动的太阳能光伏技术的快速部署，将使这种能源成为最大的低碳能源来源，预计到2040年所有可再生能源在总能源生产中的占比将达到40%[2]。将太阳能转化为电能的一种方式是通过光伏太阳能电池，这些电池可分为三代。毫无疑问，染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其优异的性能（包括低成本、易于制造、高效率潜力、灵活性以及良好的功率转换效率和环境友好性）而处于领先地位[3],[4],[5],[6]。DSSCs由光阳极（通常为TiO₂，沉积在透明导电玻璃基板上）、化学吸附在该半导体表面的染料层、电解质（通常是I^-/I₃^-氧化还原对）和对电极（通常为铂，沉积在透明导电玻璃基板上）组成[7]。其工作原理基于染料在太阳辐射激发下将电子转移到半导体氧化物的导带，从而产生电流。电子转移机制始于吸附在阳极材料（通常是五氧化二钒（V₂O₅）上的染料分子的光激发[8],[9]。聚苯胺（PANI）在其质子化形式（翡翠盐）下是一种导电聚合物，具有高电导率、高电子转移速率和在（I^-/I₃^-）电解质中的良好稳定性，是一种众所周知的电子供体材料，可以提高功率转换效率并展现出有趣的光催化活性，因此可以用作DSSCs的对电极[10],[11]。尽管V₂O₅干凝胶和聚苯胺等单个组分在各种光电应用中显示出巨大潜力，但将它们分别作为光阳极和对电极集成到由多种天然染料敏化的完全柔性DSSCs中，目前仍研究较少[12],[13],[14],[15]。这种协同组合特别具有吸引力，因为V₂O₅干凝胶和PANI本身具有内在的灵活性，为真正可弯曲的器件提供了可能。至关重要的是，详细分析这些天然染料的内在光学性质和电子能级与这种柔性架构中器件性能之间的关联，对于推动这一可持续光伏领域的发展至关重要。虽然文献中有关于V₂O₅或PANI在DSSCs中单独使用的报道，但将V₂O₅干凝胶光阳极与PANI对电极在完全柔性架构（使用PET/ITO基板）中结合，并由多种天然染料敏化的方法是一种独特的方法[8],[9]。大多数关于V₂O₅的研究集中在刚性基板（例如FTO）或非完全柔性器件上。同样，虽然PANI被探索作为对电极，但其在柔性DSSCs中与V₂O₅的组合很少被报道。我们的研究通过以下几点推动了技术进步：(i)展示了不含贵金属（Pt）或TiO₂的“全有机/无机混合”柔性电池的可行性；(ii)提供了天然染料的光学和电子性质与这种特定架构中器件性能之间的详细和相关分析；(iii)明确指出了性能瓶颈，如V₂O₅的表面积小和染料再生的能量不对齐问题，为未来的优化提供了路线图。虽然报道的效率（约1%）与刚性DSSCs的先进水平相比较低，但对于使用替代低成本材料的完全柔性配置来说具有竞争力[16],[17]。最近在柔性天然染料DSSCs方面的进展表明，当使用非传统材料和基板时，功率转换效率（PCE）通常在0.5%到2.5%之间[18],[19]。本研究中实现的约1%的PCE虽然与基于刚性TiO₂的同类产品相比较低，但在完全柔性、无贵金属的器件领域内具有竞争力，验证了V₂O₅/PANI架构的潜力。因此，本研究旨在全面表征使用V₂O₅干凝胶光阳极和PANI对电极的柔性DSSCs，这些电极由从黑莓、李子、甜菜根和草莓中提取的天然染料敏化。我们重点对这些组分的全面光学和电化学特性进行了研究，以阐明它们的基本性质（特别是光学吸收和电子能量对齐）如何控制能量转换过程和整体器件效率。

聚苯胺的合成

聚苯胺的合成是通过在PET/ITO基板上电沉积苯胺来进行的[8]。首先，通过双真空蒸馏纯化单体以去除氧化物质。然后，准备了一个电化学电池，使用PET/ITO作为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极，以及含有0.5 mol L^-1硫酸和0.3 mol L^-1苯胺的电解质溶液。

结构和光谱表征

合成的V₂O₅干凝胶和聚苯胺（PANI）的晶体结构通过X射线衍射进行了研究，结果分别显示在图2(a)和2(b)中。V₂O₅干凝胶的衍射图（图2a）显示了一系列定义明确的低角（00l）反射，这是高度有序层状结构的特征。这种长程有序结构源于二维层的堆叠，在干燥后仍然得以保持。

结论

本研究成功展示了基于V₂O₅干凝胶光阳极、PANI对电极和天然染料的完全柔性染料敏化太阳能电池的制备和表征。全面的光学和电化学分析提供了关于这些器件结构-性质-性能关系的深刻见解。结构表征证实合成了具有扩大层间距和高度有序的V₂O₅干凝胶。

CRediT作者贡献声明

Dane T Cestarolli：撰写 – 审稿与编辑、数据管理、概念化。 Bruno L. da Silva：撰写 – 原稿撰写、实验研究、正式分析、数据管理。 Elidia M. Guerra：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源获取、资金争取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

致谢

本研究部分由国家有机电子研究所（INEO）、国家科学技术发展委员会（CNPq）、米纳斯吉拉斯州研究支持基金会（FAPEMIG）、米纳斯吉拉斯州化学网络（RQ-MG）和高等教育人员培训协调委员会（CAPES）资助。