芯能级空穴时钟谱研究染料敏化太阳能电池中染料分子/半导体异质界面超快电荷转移动力学

Charge transfer from photo-excited organic dyes to photoanodes plays a dominant role in determining photon-to-electron conversion efficiency in dye-sensitized solar cells (DSSCs). Quantifying sub-femtosecond charge transfer timescale, understanding the influence of coordinated metal in dyes and nanostructure of oxide semiconductor on charge transfer dynamics will serves as an important gauge for rationale design of DSSC devices. In this project, the ultrafast charge transfer timescale, chemical interactions, electronic structures and molecular orientation at dye/semiconductor interfaces will be systematically investigated in-situ using synchrotron-based core-hole clock (CHC) spectroscopy, photoemission spectroscopy (PES) and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy. On one hand, the mechanism and influence of metal ion on charge transfer dynamics will be studied by comparing the systems of chloroaluminum phthalocyanine (AlClPc) and zinc phthalocyanine (ZnPc) though the change of the metal ion in dyes. On the other hand, the the influence of nanostructure of semiconductor substrate and different functional substrates will be investigeted by comparing the systems of nano-sheets zinc oxide (ZnO), ZnO single crystal and titanium dioxide (TiO2) single crystal.

在染料敏化太阳能电池中，电荷从染料分子到氧化物光阳极的转移对电池的光电转化效率起决定性的作用。如何精确地评估亚飞秒时间尺度超快电荷转移时间，理解染料分子中配位原子和氧化物半导体纳米结构变化对电荷转移动力学过程的影响，将对器件的设计提供理论依据。本项目将借助基于同步辐射的芯能级空穴时钟谱这一新技术以及光电子能谱和X射线近边吸收精细结构谱技术，原位、系统地研究染料分子/氧化物半导体异质界面超快电子转移时间、界面相互作用、电子结构以及分子取向。一方面，通过对比两种具有相同配体，不同金属配位原子的氯化铝酞菁和锌酞菁染料分子体系，探索配位原子对界面电子转移动力学的影响及机理。另一方面，通过对比纳米片氧化锌、氧化锌单晶和二氧化钛单晶衬底体系，了解衬底纳米结构变化以及不同功能性衬底对界面电子转移动力学的贡献作用。

在有机太阳能电池中，包括染料敏化太阳能电池，电荷从有机(染料)分子到氧化物光阳极的超快转移，将有利于界面处电子的抽取，对电池的光电转化效率起决定性的作用。明确界面物性对飞秒量级电荷转移时间的影响，将对材料的设计提供理论依据。本研究借助基于同步辐射的多种谱学技术对染料敏化太阳能电池中有机分子/氧化物异质界面的电子结构、界面相互作用和电子转移动力学进行了原位谱学研究。研究结果表明：(1)基于同步辐射的芯能级空穴时钟谱技术可以用来定量估算有机分子/氧化物界面处飞秒量级的电荷转移时间。(2)明确并扣除俄歇共振信号和二次电子谐波信号对共振光电子能谱的贡献，有助于更精确计算界面电子转移动力学时间。(3)染料分子和氧化物界面处强化学相互作用导致界面处电子转移时间短，有助于抑制界面处电子和空穴的复合，提高太阳能电池的光电转化效率。.有机无机钙钛矿太阳能电池受到广泛关注，主要是由于其光电转换效率高(>22%)，且制备简单。但是其缺点是环境稳定性差。本项目利用光电子能谱和基于同步辐射的略入射X射线衍射技术对杂化钙钛矿太阳能电池中有机分子/杂化钙钛矿薄膜异质界面的电子结构和薄膜结晶结构进行了拓展研究。研究结果表明：(1)杂化钙钛矿薄膜表面活性位是太阳能电池器件空气稳定性差的一个原因，有机分子和钙钛矿之间的化学相互作用可以钝化表面活性位，提升电池的空气稳定性。(2)提升杂化钙钛矿薄膜表面结晶相纯度，将太阳能电池器件效率提升到19.9%的同时，也提升太阳能电池器件的空气稳定性。.有机材料具有丰富的光学、电学和磁学性能。项目对有机单晶的光学和磁学性能进行拓展研究。研究结果表明酞菁铁有机分子单晶具有低维量子磁性，在新型量子信息处理和量子计算机中有潜在应用。