染料敏化太阳能电池.docx
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染料敏化太阳能电池
大面积染料敏化太阳能电池研发项目
目录
一、太阳能电池简介-----------------------------------3
二、大面积染料敏化太阳能电池发展简介-----------------4
三、大面积染料敏化太阳能电池组成及工作原理-----------6
四、提升大面积染料敏化太阳电池竞争力的主要途径-------8
一、太阳能电池简介。
20世纪以来，随着世界经济的发展与人口的急剧增长，能源日益成为人类亟待解决的重大问题。
目前，能源消耗主要是来自化石燃料等，由于化石燃料的储量以及使用所带来的环境污染问题，人们开始把目光投向可再生清洁能源。
可再生能源包括生物能、风能、潮汐能、核能以及太阳能等，其中，太阳能作为一种可再生能源，具有其它能源不可比拟的优点，取之不尽、用之不竭、安全、无污染、不受地理条件的限制等。
太阳每年向地球辐照的能量大约是3×1024J，是目前人类可利用能源的1万倍，即使地球上一小部分的太阳能得到利用，许多能源问题就都可以迎刃而解。
因此，利用太阳能的研究和应用受到世界的重视，其中，太阳能电池是世界各国政府最重视的研究课题之一。
太阳光进入大气层后,虽然大气成分和尘埃颗粒的散射以及太阳光中的紫外线被臭氧，氧气和水蒸气吸收,但到达地表的功率密度仍有很大。
如果太阳辐射维持不变,则太阳半衰期寿命还有7*1012年以上,可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。
我国陆地2/3以上地区的年日照时数大于2000h,太阳能相当丰富。
目前,太阳能的利用主要有太阳能电池发电和太阳能热水器制热。
而在一些名胜古迹和公园已经可以见到太阳能路灯了,为家庭住宅提供能源的太阳能发电系统（3kW）已经在发达国家作为示范工程而被推广,用太阳能电池提供动力的汽车和游艇也已经出现在人们的眼前。
当表面蒸发一层透光金属薄膜的半导体薄片被光照射时，在它的另一侧和金属膜之间将产生一定的电压，这种现象称为光生伏打效应，简称光伏效应。
能将光能转换成电能的光电转换器叫太阳能电池。
太阳能电池可分为固体电池和液体电池。
前者如硅太阳能电池,后者如半导体电解质太阳能电池。
制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。
根据所用材料的不同,太阳能电池又可分为:
（1）硅太阳能电池;根据不同硅晶体材料可分成单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池有单晶硅（c－Si），多晶硅（ploy－Si），非晶硅（a－Si）；
（2）无机化合物太阳能电池如砷化镓（GaAs），铜铟镓硒（CuInGaSe），碲化镉（CdTe）等;
（3）有机/聚合物太阳能电池;
（4）纳米晶太阳能电池等。
而开发太阳能电池的两个关键问题就是:
提高转换效率和降低成本。
由于目前市场上的太阳能电池产品硅太阳能电池制造成本过高,不利于广泛应用。
而九十年代发展起来的染料敏化纳米晶二氧化钛（TiO2）太阳能电池（DSSC）的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能,已成为传统太阳能电池的有力竞争对手。
其光电效率稳定在10%,制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10,寿命能达到20年以上。
二、大面积染料敏化太阳能电池发展简介。
近年来，染料敏化太阳能电池由于具有低价格、易于制造成大面积和可接受的转换效率的潜力等优点而备受关注。
法国科学家HenriBecquerel于1839年首次观察到光电转化现象，但是直到1954年第一个可实用性的半导体太阳能电池的问世，“将太阳能转化成电能”的想法才真正成为现实。
在太阳能电池的最初发展阶段，所使用的材料一般是在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料，因此这种太阳能电池又称为半导体太阳能电池。
尽管宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，也可以将太阳能转化为电能，这种电池就是染料敏化太阳能电池。
1991年，瑞士科学家Grätzel等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池中的转化效率提高到7%。
从此，染料敏化纳米晶太阳能电池（即Grätzel电池）随之诞生并得以快速发展。
染料敏化太阳能电池（Dye—SensitizedSolarCells，简称DSSC）近年来发展迅速。
其研究历史可以追溯到20世纪60年代，德国料敏化的光电转换效率比较低（<1％）。
1991年,瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授和他的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶染料敏化太阳能电池，一举突破了光电转化效率7％。
1993年Gratzel等人再次报道了光电转化效率达10％的染料敏化纳米太阳能电池。
最新的数据表明该太阳能电池目前最高的光电转化效率达到10.96％，开路电压Voc为0.975V，短路电流Jsc为19.4mA／cm2，填充因子达到71％。
染料敏化太阳能电池与传统的太阳能电池有各自的优缺点，最引人瞩目的是染料敏化太阳能电池相对其他太阳能电池具有巨大的价格优势，据估计，染料敏化太阳能电池的价格仅为硅太阳能电池的1／5～1／10。
一旦染料敏化太阳能电池的光电转化效率进一步提高，封装问题、使用寿命问题得到很好的解决，染料敏化太阳能电池很有可能在不远的将来成为一种具有竞争力的商业化产品。
我国目前在染料敏化太阳能电池领域的研究刚刚起步，但也已经取得了不少阶段性的成果。
北京大学稀土材料化学及应用国家重点实验室的黄春晖，李富友等人在纯有机染料领域具有较高的水平，并对于电极材料的改性以及多联吡啶钌染料的优化都取得了较好的结果。
中科院化学所的肖绪瑞，林原等人在凝胶复合染料和半固态电解质等方面进行了有益的探索。
中科院物理所表面物理国家重点实验室孟庆波等人在固态电解质和紧凑有序阵列电极等方面有所创新。
另外，值得一提的是中科院等离子所戴松元等人对染料敏化太阳能电池组件及封装技术做出了较系统的研究，积累了丰富的经验，这些工作都为染料敏化太阳能电池的最终产业化，知识产权国产化奠定了坚实的基础。
三、大面积染料敏化太阳能电池组成及工作原理。
1、染料敏化太阳电池组成。
DSSC主要由导电玻璃、纳米半导体氧化薄膜、敏化材料、电解质和对电极组成。
图1为DSSC的结构示意图。
（1）光电极：
TCO+多孔二氧化钛层
（2）敏化剂：
染料（N719/N3）+溶剂
（3）电解质：
I-/I3-（LiI/I2）+溶剂
（4）对电极：
TCO+Pt催化层
图1为DSSC的结构示意图
2、染料敏化太阳能电池工作原理。
DSSC的工作原理与叶绿体中光合膜的光合作用极其类似。
图2为光合膜发生光合作用的原理。
光子对光合膜作用的结果实质是光合膜内外造一个电场，电子由光合膜内传送到光合膜外，在膜内留下了空穴，在光子作用下的电子运动构成了内外电流。
图2为光合膜发生光合作用的原理
图3为DSSC的工作原理图。
当光照射到被敏化了的纳米半导体氧化薄膜上时，光照下染料分子的电子受激跃迁到激发态，自身变为氧化态；不稳定的激发态电子快速注入到紧邻的纳米半导体氧化薄膜导带上，瞬间在导电玻璃上迅速富集，然后向外电路输送电流；染料失去的电子很快从电解质中得到补偿，电解质中的氧化-还原对将空穴传输到对电极，与电子完成一次循环。
此外，激发态的电子注入纳米半导体氧化薄膜导带是造成电流损失的主要过程。
这个过程包括注入到半导体导带中的电子与氧化染料分子和电解质中电子受体反应。
图3为DSSC的工作原理图
整个反应过程可用如下表示:
（l）染料D受激发由基态跃迁到激发态D*：
D+hvD*
（2）激发态染料分子将电子注入到半导体导带中：
D*D++e-
（3）I-还原氧化态染料分子：
3I-+2D+I3-+2D
（4）I3-扩散到对电极上得到电子使I-再生：
I3-+2e-3I-
（5）氧化态染料与导带中的电子复合：
D++e-D
（6）半导体多孔膜中的电子与进入多孔膜中I3-复合：
I3-+2e-3I-
其中，反应（5）的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高；反应（6）是造成电流损失的主要原因。
四、提升大面积染料敏化太阳电池竞争力的主要途径。
1、进一步提升染料敏化太阳电池的转换效率。
A.短路电流的改善。
（1）二氧化钛光电极。
加强入射光的路径强度——散射层的引入。
改善二氧化钛颗粒之间以及颗粒与TCO的接触——TiCi4水溶液后处理。
增加染料的吸附量——增加二氧化钛的表面积。
减少电荷的复合——用金属氧化物进行隔离。
（2）染料。
染料提纯——发展新的染料提纯技术。
提高染料的吸光率——研制新型染料。
B.开路电压的改善。
减少暗电流——光电极的表面修饰。
TiO2导带负移。
C.填充因子的改善。
减小电池的内阻——TCO的内阻、对电极催化层修饰等。
2、进一步改善染料敏化太阳电池的稳定性。
液态电解质的替换——准固态及固态电解质的开发。
无机敏化剂的应用——量子点敏化材料。
3、进一步减低染料敏化太阳电池的成本（材料方向）。
对电极Pt取代材料。
天然敏化剂。
Pt对电极存在的是目前最常用的、性能最佳的对电极，其组装的染料敏化太阳电池仍然保持着最高转换效率的记录。
问题：
作为一种贵金属，Pt的使用不仅与DSCs的低成本的初衷相违背，不利于产业化，而且Pt催化层存在易被腐蚀的现象，导致DSCs稳定性下降。
有效的解决途径：
为了探索合适的非Pt对电极，人们展开了大量艰辛的工作，并取得了一定的成绩，其中以碳材料为催化层构成的碳对电极已展现出一定的优势并具有巨大的应用潜力。
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