染料敏化太陽能電池的概況

1、染料敏化太陽能電池的概況染料敏化太陽能電池的概況目前電池方面最有前景的莫過于染料敏化太陽能電池，它的發(fā)展前景十分廣闊。但是它的研究歷史其實(shí)可以追溯到19世紀(jì)早期的照相術(shù)。1837年，Daguerre制出了世界上第一張照片。兩年后，F(xiàn)oxTalbot將鹵化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，所以相片質(zhì)量并沒有得到很大的提高。1883年，德國光電化學(xué)專家Vogel發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料能使鹵化銀乳狀液對更長的波長敏感，這是對染料敏化效應(yīng)的最

2、早報(bào)導(dǎo)。使用有機(jī)染料分子可以擴(kuò)展鹵化銀照相軟片對可見光的響應(yīng)范圍到紅光甚至紅外波段，這使得“全色”寬譜黑白膠片乃至現(xiàn)在的彩色膠片成為可能。1887年，Moser將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電極上，從而將染料敏化的概念從照相術(shù)領(lǐng)域延伸到光電化學(xué)領(lǐng)域。1964年，Namba和Hishiki發(fā)現(xiàn)同一種染料對照相術(shù)和光電化學(xué)都很有效。這是染料敏化領(lǐng)域的重要事件，只是當(dāng)時(shí)不能確定其機(jī)理，即不確定敏化到底是通過電子的轉(zhuǎn)移還是通過能量的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。

3、直到20世紀(jì)60年代，德國的Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機(jī)理，才使人們認(rèn)識到光照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的光電子轉(zhuǎn)移是造成上述現(xiàn)象的根本原因。這為光電化學(xué)電池的研究奠定了基礎(chǔ)。但是由于當(dāng)時(shí)的光電化學(xué)電池采用的是致密半導(dǎo)體膜，染料只能在膜的表面單層吸附，而單層染料只能吸收很少的太陽光，多層染料又阻礙了電子的傳輸，因此光電轉(zhuǎn)換效率很低，達(dá)不到應(yīng)用水平。后來人們制備了分散的顆粒

4、或表面積很大的電極來增加染料的吸附量，但一直沒有取得非常理想的效果。1988年，Grtzel小組用基于Ru的染料敏化粗糙因子為200的多晶二氧化鈦薄膜，用Br2Br氧化還原電對制備了太陽能電池，在單色光下取得了12%的轉(zhuǎn)化效率，這在當(dāng)時(shí)是最好的結(jié)果了。直到1991年，Grtzel在O’Regan的啟發(fā)下，應(yīng)用了O’Regan制備的比表面積很大的納米TiO2顆粒，使電池的效率一舉達(dá)到7.1%，取得了染料敏化太陽能電池領(lǐng)域的重大突破。應(yīng)當(dāng)說

5、，納米技術(shù)促進(jìn)了染料敏化太陽能電池的發(fā)展主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC的負(fù)極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對的電解質(zhì)，最常用的是I3I。工作原理工作原理⑴染料分子受太陽光照射后由基態(tài)

6、躍遷至激發(fā)態(tài)；⑵處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中；⑶電子擴(kuò)散至導(dǎo)電基底，后流入外電路中；⑷處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質(zhì)還原再生；⑸氧化態(tài)的電解質(zhì)在對電極接受電子后被還原，從而完成一個(gè)循環(huán)；⑹注入到TiO2導(dǎo)帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復(fù)合(7)導(dǎo)帶上的電子和氧化態(tài)的電解質(zhì)間的復(fù)合研究結(jié)果表明：只有非常靠近TiO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導(dǎo)帶中去，多層敏化劑的吸附反而會阻礙電子運(yùn)輸；染料色激發(fā)態(tài)壽命很短

7、，必須與電極緊密結(jié)料敏化太陽能電池由于有電流通過陰極，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，形成超電勢，引起電勢的損失，降低了電池的性能。因此，陰極的制備一般用導(dǎo)電玻璃片作為基體，采用不同方法鍍上石墨、鉑或?qū)щ娋酆衔锏炔煌牧希渲绣冦K的效果較好。電解質(zhì)：由于液態(tài)電解質(zhì)在封裝上的技術(shù)困難，人們開發(fā)了無機(jī)半導(dǎo)體體系的固態(tài)電解質(zhì)、有機(jī)空穴傳輸材料和高分子電解液體系等。與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)染料敏化太陽能電池敏化劑的氧化還原電位，可以和空穴導(dǎo)體的工作函數(shù)更好的匹配，

8、所以固態(tài)染料敏化太陽能電池獲得的Uoc值很高，可以達(dá)到接近1V。以固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解液應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，可以提高和改善電池的長期穩(wěn)定性。敏化劑：敏化劑吸收太陽光產(chǎn)生光致分離，它的性能直接決定太陽電池的光電性能。新的敏化劑使吸收長波的能力增加，并且具有很高的光學(xué)橫斷面和吸收近紅外光的能力。按其結(jié)構(gòu)中是否含有金屬原子或離子，敏化劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。無機(jī)類敏化劑包括釕、鋨類的金屬多吡啶配合物、金屬卟啉、金屬酞菁和無機(jī)量子點(diǎn)等；

9、有機(jī)敏化劑包括天然染料和合成染料。DSSCsDSSCs應(yīng)用前景廣闊應(yīng)用前景廣闊大慶石油學(xué)院王寶輝教授：在硅太陽能電池中單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高多晶硅次之非晶硅最低。經(jīng)過長達(dá)10a加速光老化試驗(yàn)的結(jié)果表明染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率幾乎不變且高達(dá)15%在一定程度上優(yōu)于非晶硅太陽能電池具有廣闊的應(yīng)用前景。染料成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)染料成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)蘭州理工大學(xué)王青教授：敏化的納米晶TiO2電極是染料敏化太陽能電池的關(guān)鍵部分，

10、其性能直接關(guān)系到太陽能電池的總效率。在制備技術(shù)方面，基于傳統(tǒng)的刮涂制膜技術(shù)和逐層沉積制備技術(shù)，由于操作的復(fù)雜性和技術(shù)掌握的難度，是光陽極制備的瓶頸問題。絲網(wǎng)印刷技術(shù)由于其大面積制備的可操作性，是實(shí)現(xiàn)未來工業(yè)化不錯(cuò)的手段，但同樣存在技術(shù)操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，同時(shí)其規(guī)模制備所需條件依然需要改進(jìn)和優(yōu)化。在染料敏化上，尋找低成本、性能良好的染料成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)?？傊ㄟ^光敏化，獲得較寬的可見光譜響應(yīng)范圍，快速的電子傳輸，優(yōu)越的電子散射系數(shù)，增

11、強(qiáng)的光收集效率以及優(yōu)越的抑制電荷復(fù)合性能的多孔膜將是未來TiO2光陽極研究的方向。發(fā)展成果發(fā)展成果日本現(xiàn)已開發(fā)出“纖維狀無TCO染料敏化太陽能電池”來自日本的研究人員開發(fā)出一種“纖維狀無TCO染料敏化太陽能電池(fibertypeTCOlessdyesensitizedsolarcell)”，這種太陽能電池是將染料敏化太陽能電池層，環(huán)繞著一根長3.5厘米(cm)、直徑9毫米(mm)玻璃纖維所組成。該研究團(tuán)隊(duì)來日本九州島科技大學(xué)的生命科學(xué)

12、與系統(tǒng)工程研究所，其研究人員將一層氧化鈦、一層敏化顏料，以及一層多孔鈦(pousTi)作為電極(正極)一層包含碘等電解質(zhì)的多孔層，以及一層白金(Pt)與鈦?zhàn)鳛榱硪欢穗姌O(負(fù)極)。將上述兩種電極順序環(huán)繞著玻璃纖維而除了該玻璃纖維的兩端，整個(gè)太陽能電池都以鈦覆蓋著。將光線從玻璃纖維的一端透進(jìn)去，光就會被太陽能電池中的染料所吸收，并轉(zhuǎn)換成電力而若是該纖維稍有傾斜，在光線從另一端出去之前，就不會在表面下的玻璃造成完全反射。目前該種太陽能電池所展