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Chem. Asian J. :基于给体-发色团-受体型染料的白光到近红外光可充电集成式光电容器2023-08-21
对于移动电子设备来说,无线充电电源是至关重要的,因为它可以保证设备的连续、不间断运行。然而在当前的商业产品中,“无线”通常是不再使用电线电缆,但仍然需要将电子设备放置在固定充电站上进行充电。真正的无线充电应该是可以随时随地的补充电力,而不需要将设备连接到任何电子端口上。光电容器是实现这种无线充电的最佳选择,它可以将来自光的能量直接存储为电能,是一种具备高成本效益的可充电电源。

近日,中科院福建物构所厦门稀土材料研究中心高鹏课题组和新加坡南洋理工大学Hoi Nok Tsao课题组合作,在前期研究的基础上(将太阳能电池转换为光电容器,无需引入额外电容元件。ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 6746.),以改良的单一染料敏化太阳能电池作为光电容器,设计合成了一系列在可见-近红外区域具有较强吸收的染料分子,基于该系列染料的光电容器实现了在白光和近红外光下的快速充电和电能存储。这项工作为开发低成本、易于制造的无线充电电源提供了新的可能。

 

 

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图1. (a) 染料分子结构。(b) 通过DFT计算得到的前线分子轨道。染料在TiO2薄膜上(c)和在二氯甲烷溶液中(d)的紫外可见吸收光谱。(e) 介孔TiO2薄膜上的染料负载量(Cm)。

首先设计合成了三种异靛蓝类染料分子(图1a),三种染料表现出了从可见光到近红外区域的全色吸收(图1b,c)。介孔TiO2薄膜上的染料负载量的测试发现,以羧基作为锚定基团的染料LF15表现出最高的Cm,这是由于氰基乙酸中碳碳双键的松软结构导致在锚定到TiO2表面时分子倾斜,从而导致染料负载量的减少。基于三种染料的光电容器实现了在白光下小于2s以及近红外光下小于6s的快速充电。充电后对器件施加-700 nA的外部电流,通过VOC衰减曲线估算了光电容器的比电容值。LF23的比电容值为2.87 mF cm-2 略高于另外两种染料。

这项研究还阐明了光电容器的EQE与短路电流密度(JSC)之间没有必然的相关性。EQE测得的JSC值与光电容器的充电速度有关,基于LF15的光电容器充电更慢,特别是在较低的光强度下(图2b),在特定波长下的快速JSC测量过程中,短路处提取的TiO2电子数量也受到限制,导致观察到基于LF15的电池EQE较低。此外,研究人员通过50个快速充放电循环测试了器件的运行稳定性(图3a),在白光和近红外光充电条件下,输出的电压均没有显著损失,表明器件具有较高的稳定性。

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图2. (a)EQE。在123.6 kLx白光(b)和10.5 kLx白光(c)LED光照下,VOC随时间的变化趋势。

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图3. 光电容器的稳定性测试。在123.6 kLx白光LED(a)-(c)和285 mW cm-2近红外LED(d)-(f)光照条件下充电,在-500 nA下放电。

文信息

White Light to Near-IR Chargeable Single Component Photocapacitor Based on Donor-chromophore-Acceptor Dyes

Feng Li, Can Cuhadar, Zilong Zhang, Shanay Jindal, Zehan Huang, Ni Zhang, Prof. Hoi Nok Tsao, Prof. Peng Gao

Chemistry – An Asian Journal

DOI: 10.1002/asia.202300188

 

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