博士论文染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状Word格式文档下载.docx

1、其他入射角的大气质量可以用入射光与地面的夹角的关系表达，即 AM = 1/ cos当太阳的天顶角为48.19时为AM1.5。海平面上任意一点和太阳的连线与海平面的夹角叫天顶角。一般在地面应用的情况下，如无特殊说明，通常是指AM1.5 的情况。1.1.2光电转化效率光电转化效率,即入射单色光子-电子转化效率（monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency，用缩写IPCE表示），定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比.其数学表达式见公式（1.1）：IPCE = 1240 Isc /

2、 （ Pin） （1.2）其中Isc、和Pin所使用的单位分别为A cm-2 、nm和W m-2。从电流产生的过程考虑，IPCE与光捕获效率（light harvesting efficiency） LHE （）、电子注入量子效率inj及注入电子在纳米晶膜与导电玻璃的后接触面（back contact）上的收集效率c三部分相关。见公式（1.3）：IPCE （） = LHE （） inj c= LHE （） （） （1.3）其中injc可以看作量子效率 （）。由于0 LHE （） 1，所以对于同一体系, IPCE （） （）。两者相比，IPCE （）能更好地表示电池对太阳光的利用程度,因为 （）

3、只考虑了被吸收光的光电转化,而IPCE （） 既考虑了被吸收光的光电转化又考虑了光的吸收程度。譬如，若某电极的光捕获效率为1%，而实验测得量子效率 （） 为90%，但其IPCE （） 只有0.9%。作为太阳能电池，必须考虑所有入射光的利用，所以用IPCE （） 表示其光电转化效率更合理；作为LB膜或自组装膜敏化平板电极的研究主要用来筛选染料而不太注重光捕获效率，所以常用 （）表示光电转化效果。在染料敏化太阳能电池中，IPCE （） 与入射光波长之间的关系曲线为光电流工作谱。1.1.3 I V曲线光电流工作谱反映了染料敏化半导体电极在不同波长处的光电转化情况，它反映了电极的光电转化能力。而判断染

4、料敏化太阳能电池是否有应用前景的最直接方法是测定电池的输出光电流和光电压曲线即I V曲线。典型的I V曲线示于图1.1中。下面介绍有关太阳能电池的性能参数。短路光电流（Current of Short Circuit, Isc）：电路处于短路 （即电阻为零） 时的光电流称为短路光电流；开路光电压（Voltage of Open Circuit, Voc）：电路处于开路 （电阻为无穷大） 时的光电压称开路光电压；填充因子（Fill Factor, FF）：电池具有最大输出功率 （Popt） 时的电流 （Iopt） 和电压 （Vopt） 的乘积与短路光电流和开路光电压乘积的比值称为填充因子。FF

5、= Popt / （Isc Voc） = （Iopt Vopt） / （Isc Voc） （1.4）光能-电能转化效率（）： 电池的最大输出功率与输入光功率（Pin）的比值称为光能-电能转化效率，又叫能量转化效率。 = Popt / Pin = （FF Isc Voc） / Pin （1.5） 图1.1 染料敏化纳米晶太阳能电池的I V曲线从图1.1可以看出，短路光电流为I V曲线在纵坐标上的截距，而开路光电压为曲线在横坐标上的截距。短路光电流为电池所能产生的最大电流，此时的电压为零。开路光电压为电池所能产生的最大电压，此时的电流为零。曲线的拐点（）对应着最大输出功率时的电流和电压，另外该点所

6、对应的矩形面积即为最大输出功率。具有短路光电流和开路光电压值的那一点（实际上没有这一点）所对应的矩形面积为电池理论上所能产生的最大功率。拐点所对应的面积（实际产生的最大功率）与最大面积（理论功率）之比即为填充因子。很显然，它是影响电池输出性能的一个重要参数。短路光电流和开路光电压是电池最重要的参数，较高的短路光电流和开路光电压值是产生较高能量转化效率的基础。对于短路光电流和开路光电压都相同的两个电池，制约其效率大小的参数就是填充因子，填充因子大的能量转化效率就高。习惯上，将白光下的能量转化效率称为总能量转化效率，而单色光下的能量转化效率用 （）表示。1.2 染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作

7、原理1.2.1结构 染料敏化纳米晶太阳能电池主要可以分为三部分：工作电极、电解质和对电极。在导电基底上制备一层多孔半导体膜，然后再将染料分子吸附在多孔膜中,这样就构成工作电极。电解质可以是液态的，也可以是准固态或固态的。对电极一般是镀有一层铂的导电玻璃。1.2.2工作原理图1.2 染料敏化二氧化钛纳米晶电池中电流产生机理示意图 图1.2为染料敏化二氧化钛纳米晶电池中电流产生机理示意图。在光电流产生过程中，电子通常经历以下七个过程：染料（D）受光激发由基态跃迁到激发态（D*）: D + h D* （1.6）激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中（电子注入速率常数为kinj）: D* D+ +e

8、-（CB） （1.7） I-离子还原氧化态染料可以使染料再生： 3I- + 2D+ I3- + D （1.8）导带中的电子与氧化态染料之间的复合（电子回传速率常数为kb）: D+ + e-（CB） D （1.9）导带（CB）中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面（back contact，用BC表示）后而流入到外电路中: e-（CB） e-（BC） （1.10）纳米晶膜中传输的电子与进入二氧化钛膜孔中的I3-离子复合（速率常数用ket表示）: I3- + 2e-（CB） 3I- （1.11）I3-离子扩散到对电极（CE）上得到电子再生: I3- + 2e-（CE） 3I- （1.12）染料激发态

9、的寿命越长，越有利于电子的注入,而激发态的寿命越短，激发态分子有可能来不及将电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而跃迁到基态。、两步为决定电子注入效率的关键步骤。电子注入速率常数（kinj）与逆反应速率常数（kb）之比越大（一般大于3个数量级），电荷复合的机会越小，电子注入的效率就越高。I-离子还原氧化态染料可以使染料再生，从而使染料不断地将电子注入到二氧化钛的导带中。I- 离子还原氧化态染料的速率常数越大，电子回传被抑制的程度越大，这相当于I- 离子对电子回传进行了拦截（interception）。步骤是造成电流损失的一个主要原因，因此电子在纳米晶网络中的传输速度（步骤）越大,而且电

10、子与I3- 离子复合的速率常数ket越小，电流损失就越小，光生电流越大。步骤生成的I3- 离子扩散到对电极上得到电子变成I-离子（步骤），从而使I-离子再生并完成电流循环。在常规的半导体太阳能电池（如硅光伏电池）中，半导体起两种作用：其一为捕获入射光；其二为传导光生载流子。但是，对于染料敏化太阳能电池，这两种作用是分别执行的7。首先光的捕获由敏化剂完成，受光激发后，染料分子从基态跃迁到激发态（即电荷分离态）。若染料分子的激发态能级高于半导体的导带底能级,且二者能级匹配，那么处于激发态的染料就会将电子注入到半导体的导带中。注入到导带中的电子在膜中的传输非常迅速，可以瞬间到达膜与导电玻璃的后接触面

11、（back contact）而进入外电路中。除了负载敏化剂外，半导体的主要功能就是电子的收集和传导。理论上，电池的光电压为光照时TiO2的准费米能级与电解质溶液中氧化还原电对的能斯特电位之差5-。1.3 二氧化钛纳米晶电极的引入由于单晶半导体表面能够吸附的染料分子很少，人们无法同时提高量子效率和光捕获效率，从而制约了染料敏化太阳能电池研究的发展。1985年随着瑞士科学家Grtzel首次使用高表面积半导体电极（如二氧化钛纳米晶电极）进行敏化作用研究，这个问题便得到了解决。纳米晶半导体膜的多孔性使得它的总表面积远远大于其几何表面积。例如10m厚的二氧化钛膜（构成膜的粒子直径为1520 nm），其总

12、表面积可以增大约1000倍5。单分子层染料吸附到纳米晶半导体电极上，由于其巨大表面积可以使电极在最大吸收波长附近捕获光的效率达到100%。所以染料敏化纳米晶半导体电极既可以保证高的光电转化量子效率又可以保证高的光捕获效率，从这个角度看，二氧化钛纳米晶电极的应用使得染料敏化太阳能电池的研究进入了一个全新的时代，大大推动了光电转化研究的发展。二氧化钛是一种资源丰富、安全无毒、化学性质稳定的半导体材料。其晶型有金红石、锐钛矿、板钛矿三种。金红石的禁带较窄（3.0 eV），光腐蚀性较强，而锐钛矿的禁带较宽（3.2 eV），所以它的稳定性较好，适合于做染料敏化太阳能电池中的半导体材料。在光照下，价带电子

13、被激发至导带，同时在价带上形成空穴。由于电子在半导体内的复合，且锐钛矿的禁带宽度为3.2 eV，只能吸收波长小于380 nm的紫外光，因此光电转换效率低。必须将二氧化钛表面光谱特征敏化，增大对太阳光的响应，从而提高光电转换效率。其中一个重要方法就是将光敏材料（即有色的有机或无机化合物）经化学吸附或物理吸附在高比表面的二氧化钛半导体上使宽能隙的二氧化钛半导体表面敏化。经敏化后的二氧化钛具有如下效果：一方面不仅二氧化钛薄膜表面吸附单层敏化剂分子，海绵状二氧化钛薄膜内部也能吸附更多的敏化剂分子，因此太阳光在粗糙表面内多次反射，可被敏化剂分子反复吸收，提高了太阳光的利用率。另一方面敏化作用能增加光激发

14、过程的效率，扩展激发波长至可见光区域，达到提高光电能转换效率的目的。在染料敏化太阳能电池中，电极半导体本身不需要被激发，它只是起着传导电子的作用，这主要决定于染料与半导体的能级是否匹配。所以二氧化钛是染料敏化太阳能电池中一个非常合适的半导体材料。制备纳米晶二氧化钛颗粒有许多种方法，如惰性气氛缩合、高温TiCl4氧化、金属的氧化-水热合成、化学气相沉积以及溶胶-凝胶法。其中溶胶-凝胶法是最常采用的一种方法。通过控制前驱体化学和合成条件可以调节胶体组成以及微结构，并且在低温条件下就能够制备均相、亚稳定的结构。同时，由于胶体粒子尺寸一般在1到100纳米，恰好可以满足制备纳米晶电极的要求。溶胶-凝胶法

15、制备二氧化钛纳米粒子时，先将烷氧基钛或四氯化钛水解后，再进行水热处理。水热处理后的二氧化钛粒子可以制备二氧化钛膜电极。可以用一根玻璃棒在导电玻璃（平行的两边贴上胶带以保留电接触部分）上展涂（spreading）胶体，或者直接在导电玻璃上进行旋涂（spin coating）。然后将涂好的膜进行简单的烧结，就可形成具有三维网状结构的纳米晶膜。膜的厚度取决于胶体的浓度和胶带的厚度。习惯上用粗糙因子（roughness factor），即膜的总表面积与其几何面积之比）表示总表面积的大小。粗糙因子越大，吸附量越大，光捕获效率越高。利用胶体涂膜再进行烧结，简便易行，制备的纳米晶膜具有良好的光学透明性。二氧

16、化钛纳米晶电极的微结构对光电转化性质的影响可以从以下三个方面来讨论： 首先，对于具有相同表面积的电极，孔径大小显著影响光电转化性质，特别是在高光强下。在低光强下（如1/10模拟太阳），传质动力学速度足以满足染料的再生，因此在低光强下，孔径大小对光电转化性质的影响不大。在强光下（如一个模拟太阳），传质动力学速度往往不能完全满足染料分子的再生，所以强光下，孔径大小对光电性质的影响较大。实验证明当平均孔径从4 nm增加到20 nm，十分之一模拟太阳光照射下，效率从4.72% 增加到4.9%，而在一个模拟太阳光照射下，效率从3.38% 增加到5%。造成上述结果的主要原因是，小孔吸附染料后，余下的空间就

17、比较小了，这将大大降低电解质在孔中的扩散速度，电流产生效率因此大幅度下降。其次，太阳能电池所产生的电流与二氧化钛电极所吸附的染料分子数直接相关，所以一般来讲，表面积越大，光生电流越大，这也是纳米晶电极大大优越于平板电极的主要原因。当然，溶剂的粘度和电解质的浓度也会影响传质动力学。第三，孔隙度（porosity，孔的体积与膜材料的总体积之比）对光电转化性质的影响很大。对于具有相同厚度和表面积的膜，孔隙度越小，光生电流越大，反之亦然。这是因为孔隙度越大，单位面积二氧化钛膜所含有的二氧化钛质量越小，单位面积膜所具有的表面积也越小。表面积减小，所吸附的染料分子数自然减小，光生电流及总能量转化效率因此下

18、降。研究表明，二氧化钛薄膜中存在着大量的表面态，表面态能级位于禁带之中，是局域的，这些局域态构成陷阱，束缚了电子在薄膜中的运动，使得电子在薄膜中的传输时间增大。电子在多孔薄膜中停留的时间越长，和电解质的复合的概率就越大，导致暗电流增加，从而降低了染料敏化纳米晶太阳电池总的光电转换效率。为了提高太阳光的利用率及光电转换率，利用复合、掺杂等方法对半导体进行修饰。在TiO2 电极的基础上，研究者又做了很多有价值的研究工作。这主要包括: （1） 对TiO2 进行离子掺杂，掺杂离子能在一定程度上影响TiO2 电极材料的能带结构，使其朝有利于电荷分离和转移、提高光电转化效率的方向移动，目前掺杂离子主要是过

19、渡金属离子或者稀土元素；（2） 在TiO2 纳米晶薄膜表面复合上一定厚度的其他半导体化合物薄膜。常用的半导体化合物有CdS、ZnO、PbS 等。复合膜的形成改变TiO2膜中电子的分布，抑制载流子在传导过程中的复合, 提高电子传输效率。例如: 2001年，我们小组利用ZnO膜包裹的TiO2，使得电池的总光电转化效率较未改性之前提高了27. 3 %，达到9. 8 %。除了电极改性以外，电极形貌结构的设计基本停留在Grtzel 等人最初报道的纳米多孔膜阶段。实际上，Grtzel曾经指出，垂直于TCO 导电玻璃表面的高度有序纳米阵列电极材料可能比现有的多孔电极材料更有优势。其理由是: （1） 纳米阵列

20、电极材料增加光子的散射，增加了光子在电极材料中的传输路径，有利于增强光的吸收; （2） 纳米阵列电极材料由于具有有序结构，且垂直于电极表面，这样将最大限度的减少电荷在电极材料中的传输路径，减少界面复合的机会。M. Adachi，等人利用单晶TiO2纳米线作为光阳极，其吸附染料量是用P-25分散制备的二氧化钛薄膜的4倍，得到了9.3%的光电转化效率。Yang P.等人利用致密的有序阵列代替多孔膜作为太阳能电池的阳极，获得了1.5%的光电转化效率。我们小组利用两步烧结法，制备了2.5m厚的介孔二氧化钛膜作为太阳能电池的工作电极，获得了5.31%的光电转化效率，相对于同样厚度的纳米多孔膜，光电转化效

21、率增大了3倍。1.4 染料敏化剂的发展染料敏化剂是染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分。它的作用就是吸收太阳光，基态电子受激发到激发态，然后再转移到半导体的导带上。光敏化剂必须具备几个基本条件：（1） 在TiO2 纳米晶电极表面具有良好的吸附性，即能够快速达到吸附平衡，且不易脱附；（2） 在可见光区域要有较强较宽的吸收带；（3） 其氧化态和激发态要有较高的稳定性；（4） 激发态寿命足够长，且有很高的电荷传输效率；（5）具有足够负的激发态氧化还原电势以保证染料激发态电子注入TiO2 导；（6）在氧化还原过程中，要有相对低的势垒以便在初级和次级电子转移中的自由能损耗最小。1.4.1 联接基团图1.

22、3 示出了在纳米晶表面上分子自组装的各种方式：a.共价键结合，与能起反应的基团直接联接或经过试剂联接；b.静电相互作用，经过离子交换，离子对或给体-受体的相互作用；c.通过氢键结合，在天然有机染料中尤为常见；d.疏水作用导致长链脂肪酸衍生物自组装；e.以范得华力物理吸附在固体表面； f.在如环糊精、胶囊等基体的孔穴物理截留。在染料敏化太阳能电池中，通常采用第一种分子自组装方式。为了能与半导体表面进行良好的吸附，敏化剂染料分子结构必须进行修饰。图1.3 分子在表面自组装的方式图1.4. 分子在氧化或非氧化表面连接模式图1.4 示出了敏化剂染料分子在氧化物或非氧化物基体上通常采用的化学键合模式。试

23、验证明，诸如硅氧基-O-Si-、酰胺基-NH-（C=O）-、羧基-O-C=O-、磷酸基-O-（HPO2）-等基团与半导体表面之间能形成稳定的化学键合。在大多数试验中，起反应的物质（如硅烷基、羧酸或磷酸）与氧化物表面的氢氧根反应，形成的联接展现出了良好的稳定性。敏化剂与半导体表面的化学键合不仅可以使敏化剂牢固地吸附到表面上，而且可以增加电子偶合以及改变表面态能量。因为本文工作中只涉及到钌配合物染料，所以下面仅对钌配合物敏化剂作简单的说明，详细的综述可见李襄宏同学的博士论文。1.4.2. 钌配合物敏化剂一年后，Grtzel 小组在Nature5上报道了利用该染料敏化二氧化钛纳米晶电极所产生的振奋人

24、心的高效率太阳能电池。他们利用化合物1作为敏化剂，在10m厚的二氧化钛纳米晶电极上获得了史无前例的结果5。最大IPCE接近100%，并且在模拟AM1.5太阳光照射下，短路光电流高达12 mA cm-2，总能量转化效率在7.17.9%之间，而在漫反射日光下的总能量转化效率高达12%。上述结果的报道引起了科学界的轰动，染料敏化太阳能电池从此称为Grtzel电池。1993年Grtzel小组研究了系列配合物敏化剂cis-Ru（dcbpy）2X2 （X = Cl-, Br-, I-, CN-, and SCN-）的光电转化性质，其中红染料Ru（dcbpy）2（NCS）2（化合物2） 敏化的二氧化钛纳米晶

25、电极在较宽的波长范围内 （480600 nm） 产生了超过80%的IPCE，并在模拟AM 1.5太阳光照射下产生了17 mA cm-2的短路光电流,720 mV的开路光电压以及10%的总能量转化效率。这篇报道说明染料敏化太阳能电池的性能已接近传统的硅光伏电池的水平。化合物2是一个有效的异质结电荷转移敏化剂，被人们进行了广泛的动力学研究，并经常用作一种标准染料进行比较研究。1.5 氧化还原电解质引入的意义染料敏化太阳能电池由工作电极（染料/纳米晶膜）、电解质以及对电极三部分组成。本论文的工作主要是研究准固态/固态染料敏化太阳能电池，因此这里重点综述氧化还原电解质的研究状况。当激发态染料将电子注入

26、到二氧化钛半导体的导带时，染料本身被氧化。为了使光电转化能够不断地循环发生，必须使用氧化还原电解质将氧化态的染料还原再生。目前在染料敏化太阳能电池中使用最普遍的氧化还原电解质是I3/I-电对。当I-离子浓度较大时，可以快速地将氧化态染料还原，从而有效地抑制电极表面的电荷复合8,。Frank和Huang等研究了电解质浓度对N3染料敏化太阳能电池的性能参数的影响。当固定I3-/I- 的浓度比为1:10时，I3- 离子的浓度越低，开路光电压越大。例如，当I3- 离子的浓度从46降到2 mmol dm-3时，开路光电压从0.46升到0.67 V。这种变化规律可以通过开路光电压的计算公式（1.13）得到

27、解释.其中Iinj为注入电子流，ncb为导带中的电子浓度，ket为注入电子与I3- 离子反应的速率常数，I3-为纳米晶膜表面上I3- 的平衡浓度。I3- 离子的浓度增大时，ket和I3-都增大，所以开路光电压降低。然而随着I3- 离子的浓度增大，短路光电流和填充因子都增大，当浓度大于10 mmol dm-3时，趋于饱和。开路光电压和短路光电流随光强的变化关系强烈依赖于I3- 离子的浓度。I3- 离子的浓度小于10 mmol dm-3时，光强小于40 mW cm-2时，光电压与光强的对数呈线性关系；光强大于40 mW cm-2时，光电压有向下偏离线性的趋势。I3- 离子的浓度为46 mmol d

28、m-3时，光电压与光强的对数呈线性关系直至100 mW cm-2。当I3- 离子的浓度大于10 mmol dm-3时，短路光电流与光强呈线性关系直至100 mW cm-2；而当I3- 离子的浓度小于2 mmol dm-3时，短路光电流与光强呈线性关系仅到10 mW cm-2，再增大光强时，短路光电流趋于饱和，这说明I3- 离子的浓度较小时，I3- 离子的扩散限制了光电流的产生；而在较高浓度时，光电流的产生不受I3- 离子的扩散限制。从这些变化规律可以看出，在染料敏化太阳能电池中，I3- 离子有一个最佳浓度，可以根据不同的染料体系进行选择。电解质溶剂的选择也是非常重要的。在水溶液中，半导体的平带

29、电势主要取决于溶液的pH值，而与金属离子的种类关系很小。每升高一个pH单位，可以使平带电势（Vfb）负移0.06 V，见公式（1.14）。所以在水溶液中，电子注入的驱动力可以通过调节pH来控制。Vfb = -0.40 0.06 pH （V, vs. SCE） （1.14）在非水溶液中，金属离子对平带电势的影响程度取决于溶剂是质子性的还是非质子性的29,。在质子溶剂中,半导体与溶液界面上存在质子的吸附-解吸附平衡，而在非质子溶剂中，界面上却不存在这种平衡。半导体电极在非质子溶剂中的平带电势与溶剂的种类无关，说明在不存在质子的吸附-解吸附平衡的情况下，其平带电势在很大程度上依赖于电极本身的物理和化学性质。在不含电解质的质子溶剂中，由于存在质子的吸附-解吸附平衡。半导体的平带电势发生正移。向质子溶剂中加入电解质并不影响半导体电极的平带电势，说明电极对H+ 离子的选择性吸附决定了平带电势的大小。在非质子溶剂中,半导体的平带电势取决于金属离子的本质。金属离子决定了平带电势的值，并且金属离子的浓度越大，平带电势正移越明显