中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）表面實驗室博士生焦揚、張帆、丁子敬和孟勝研究員等最近對基于有機分子的太陽能電池機理作了細致的理論和實驗研究。使用包含激發態信息的含時密度泛函理論模擬，他們發現在TiO2界面上分子的能級受界面化學鍵的振動所調制，從而直接影響激發態電子向半導體注入的動力學過程和效率【Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 13196（2011）】。

 

接著，他們和清華大學任俊博士、哈佛大學E. Kaxiras教授合作，分析了有機太陽能的典型界面C60/CuPc的原子結構和電子耦合。他們發現，界面處不同的分子排列方式（水平或垂直）對太陽光吸收性能影響不大，但對于電子能級排布卻有重要作用。其中水平排列的C60/CuPc界面兩層的分子能級更為接近，比垂直排列界面提供高出0.3 V左右的電壓。這對于提高太陽能轉化效率有著重要影響。結果發表在【Nano Research 5, 248（2012）】。

 

他們進一步研究了不含金屬的純有機分子在TiO2界面上的原子結構對形成的有機染料太陽能電池效率的影響。這類分子一般采納Donor-π-Acceptor的結構，大多通過氰基丙烯（cyanoacrylic）基團與表面結合。雖然這一類分子得到極為廣泛的應用，但其吸附結構并不清楚。此前人們普遍認為這一類有機染料與傳統釕復合物染料類似，只通過羧基吸附在TiO2表面。基于第一性原理分子動力學和含時密度泛函理論計算，焦揚等與瑞士聯邦理工Michael Graetzel教授合作研究了含氰基丙烯基團的有機分子在銳鈦礦TiO2（101）表面的吸附和電子動力學（圖1）。通過對動力學模擬得到的振動譜的詳細分析和與實驗得到的紅外吸收譜的比較（圖2），他們發現氰基和羧基共同參與表面吸附，該吸附構型非常有利于太陽能源轉化。

 

計算結果表明，這種新提出的通過氰基和羧基共吸附、含有Ti-N鍵的表面構型在能量上最穩定（圖1）。這改變了人們的普遍認識：氰基在吸附中起到關鍵作用，它對界面穩定性、電化學性質的影響往往被忽視。通過電子結構計算和激發態電子動力學模擬，他們進一步研究了這種新提出的吸附構型中染料分子和表面的電子耦合、能級相對位置，以及它們對太陽能電池電壓及電流的影響。光激發電子從染料分子向TiO2表面注入的動態過程表明，新構型有利于電子的快速注入并有著高量子效率，在電子結構上則更有利于產生較高的工作電壓(圖3)，從而保證此類太陽能電池具有較高的能量轉化效率（~10%）。這些工作在原子尺度上建立了界面能源轉化機制中微觀結構與宏觀性能的關系，對進一步從微觀上調控、優化和提高太陽能轉化效率提供了新的辦法。相關結果發表在【Advanced Functional Materials，DOI: 10.1002/adfm.201201831】上。

 

上述研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院百人計劃項目的支持。

圖1 有機分子在TiO₂表面的不同吸附構型。第一行(從左至右分別為Ia,Ib,Ic構型)：有Ti-N鍵的吸附構型；第二行（IIa, IIB, IIc構型）：不含有Ti-N鍵的吸附構型。右上角為新發現、最穩定的構型。

圖2 實驗和理論計算所得到的吸附結構的振動譜。Ic構型和實驗符合很好。

圖3 左圖：不同構型和開路電壓的關系。橫坐標是該構型的界面二極矩，縱坐標是分子激發能級和導帶低的差ΔE。ΔE越小開路電壓越大。穩定構型中Ic電壓較大。右圖：不同構型的電子注入動力學。實線是基于含時密度泛函理論的電子-離子耦合的分子動力學的模擬結果，虛線是對模擬數據的指數擬合。Ic有較快的注入時間和較高的量子產率。