染料敏化太陽(yáng)能電池的概況

1、染料敏化太陽(yáng)能電池的概況染料敏化太陽(yáng)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(yáng)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(guó)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(duì)更長(zhǎng)的波長(zhǎng)敏感，這是對(duì)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(duì)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(duì)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(guó)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(shí)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(yáng)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(duì)制備了太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(duì)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(duì)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(duì)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(yáng)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(duì)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?？拷黅iO2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(huì)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(yáng)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(shì)，引起電勢(shì)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?，其中鍍鉑的效果較好。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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池，可以提高和改善電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。敏化劑：敏化劑吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生光致分離，它的性能直接決定太陽(yáng)電池的光電性能。新的敏化劑使吸收長(zhǎng)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(yáng)能電池中單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高多晶硅次之非晶硅最低。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)10a加速光老化試驗(yàn)的結(jié)果表明染料敏化太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池的關(guān)鍵部分，

10、其性能直接關(guān)系到太陽(yáng)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(yáng)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)。總之，通過光敏化，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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池(fibertypeTCOlessdyesensitizedsolarcell)”，這種太陽(yáng)能電池是將染料敏化太陽(yáng)能電池層，環(huán)繞著一根長(zhǎng)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(yáng)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(huì)被太陽(yáng)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(huì)在表面下的玻璃造成完全反射。目前該種太陽(yáng)能電池所展