染料敏化太阳能电池研究进展

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 染料敏化太阳能电池研究进展 摘 要： 染料敏化太阳能电池 （DSSC）是一种新型光电化学太阳能 电池，它具有生产成本低、制作工艺简 单、原材料来源丰富以及环保等优点。 介绍了染料敏化太阳能电池的一般结构 及原理，综述了现阶段国内外对染料敏 化太阳能电池中光阳极、敏化剂、对电 极、电解质、光谱吸收等因素的最新研 究进展，并对目前染料敏化太阳能电池 中光阳极、染料、电解质、层叠结构等 方面存在的问题及发展前景进行了阐述， 最后总结了染料敏化太阳能电池的发展 方向。 中国论文网 /1/view-13027045.htm 关键词： 太阳能电池； 光阳极； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 染料敏化； 电解质； 对电极； 光电 转化效率 中图分类号： TM 914.4+2 文献 标志码： A Research Development Status of Dyesensitized Solar Cells ZHOU Yi1， ZHOU Yanxia2， ZHAO Di1 （1.School of Science， Tibet University， Lhasa 850000， China； 2.School of Engineering， Tibet University， Lhasa 850000， China） Abstract： Dyesensitized solar cells （DSSC） are a new type of photoelectrochemical solar cells with the advantages of low production cost，simple craft，rich source of raw materials，environmental friendliness， and so on.Therefore，it has become a research focus in the field of new energy.The general structure and principles of dyesensitized solar cells were -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 introduced in this article.The latest research progress of dyesensitized solar cell including photoanode， sensitizer，counter electrode，electrolyte and spectrum absorption was reviewed.The problems and prospects of its photoanode， dyes，electrolytes，and laminated structure were discussed.Finally，the development direction of dyesensitized solar cells was summarized in the article. Keywords ： solar cell； photoanode； dyesensitized； electrolyte； counter electrode； monochromatic incident photontoelectron conversion efficiency 染料敏化太阳能电池（DSSC） 是众多太阳能电池分类中的一种，它是 可以利用一些光敏材料，模仿植物中叶 绿素的光合作用，最终将太阳能（光能） 转化为电能的一种新型太阳能电池1。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 由于其原料来源广泛，成本低廉，对生 产设备要求低，生产工艺简单，能耗低， 适合大规模的生产应用等特性，在能源 短缺和环境污染的当下，受到了越来越 多政府、企业及研究人员的关注2。但 是染料敏化太阳能电池光电转化效率 （IPCE ）相对于一般太阳能电池而言较 低，且液态或半固态电解质会影响电池 稳定性3。因此现阶段对其的研究方向 主要是如何提高其光电转化率和稳定性 4。 1 染料敏化太阳能电池原理及构 造 能源研究与信息 2018 年 第 34 卷 第 1 期周 毅，等：染料敏化太 阳能电池研究进展 1.1 原理 染料敏化太阳能电池原理如图 1 所示。DSSC 的核心思想是将光的吸收 过程和电子收集过程分开，即分别由敏 化剂和介孔氧化物半导体基底来完成5。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 电池基底通常是由 TiO2 纳米晶烧结在 一起形成的介孔氧化物半导体层；敏化 剂是吸附在纳米晶的薄膜表面上的单层 染料分子。当染料分子吸收太阳光时， 电子从基态跃迁到激发态。处于激发态 的电子不稳定，它以非常快的速率注入 较低能级的 TiO2 导带中。注入导带中 的电子经外电路时做功产生工作电流， 然后流回到对电极中；电解液中的氧化 还原电对则将留在氧化钛染料分子中的 空穴还原，这时氧化态染料分子还原至 基态，就可再次吸收光子；产生的氧化 态电解质通过扩散在对电极接受电子被 还原，这样整个电路经过氧化和还原的 再生，完成一个光电化学反应的循环6- 8。 1.2 构造 染料敏化太阳能电池的构造如图 2 所示。典型的 DSSC 包括透明导电光 学（TCO）玻璃、透明纳米孔半导体电 极（光阳极） 、染料、电解质、对电极 （光阴极）等9-11。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 2 国内外最新研究进展 目前 DSSC 的研究都集中于改变 或发现新的组成其结构的材料12-14。 下面将根据针对不同结构所做的研究来 概述 DSSC 的国内外研究进展。 关于光阳极，Milan 等15研究 了用于 DSSC 的 ZnOSnO2 复合光阳 极，即将多种氧化物分层设计理念应用 于制造光阳极。该设计方案综合利用了 两种氧化物各自的优良性能。利用 ZnO 的高载流子迁移率和 SnO2 材料在紫外 光照射下的高稳定性，研究了 ZnOSnO2 不同分层组合的效果：基于 两种氧化物设计的光阳极取得了更高的 光能转换率（4.96%） ，而使用单一 SnO2 或 ZnO 的D 换率则分别只有 1.20%和 1.03%。另外，在开路电压和 短路电流密度方面均发现了协同增效现 象。分层结构之所以能提升功能性能， 是因为这一结构优化了高化学电容和低 复合电阻，同时抑制了从 SnO2 导带到 电解液中氧化型物质的电子回传。研究 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 证实了简单电极设计在强化最终设备性 能方面发挥的强大作用。 关于 敏化剂，Han 等16 采用超声波喷涂技 术超快速制造柔性染料敏化太阳能电池， 研究了用于制造 TiO2 电极的新型沉积 技术，并将该类电极运用在柔性染料敏 化太阳能电池中。预先染料包覆技术和 共淀积超声波喷涂技术消除了传统方法 及工艺过于耗时的缺点。采用新型沉积 技术并使用染料 N719 作为敏化剂制成 的电极（以柔性聚合物为基底）实现了 超过 4.0%的能量转化率。 关于对电极，Maiaugree 等17 利 用从山竹皮中提取的天然对电极和天然 染料制成了染料敏化太阳能电池。碳化 山竹皮和山竹皮染料可分别被用作天然 对电极和天然光敏剂。在碳化山竹皮中 发现了一种具有粗糙纳米级表面的独特 介孔蜂窝状碳结构，对比了利用碳化山 竹皮作对电极的染料敏化太阳能电池和 采用 Pt 和 PEDOTPSS 作对电极的电池 的效果，发现使用碳化山竹皮和有C -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 二硫化物/硫醇盐电极的电池具有较高的 太阳能转换效率（2.63%） 。 关于电解质，王艳香等18研究 了 DSSC 中利用 CsSnI3-xFx 作为固态 电解质，F 掺杂取代 I 和 SnF2 负载量等 对电池性能的影响。当在 CsSnI2.95F0.05 中添加质量分数为 5% 的 SnF2 后，并在 450 下烧制的固态 电解质电池的性能最优，电池光电转换 效率为 5.18%。 关于光谱吸收的研究，Kinoshita 等19采用钙钛矿结构增加电池对光谱 的吸收范围，制造了染料敏化太阳能电 池，将太阳能电池对光的吸收范围向近 红外区域扩展来提高电池的能量转换效 率。虽然钙钛矿太阳能电池的高转换率 大于 20%，但是这种电池在长波段的吸 收限大约在 800 nm。为了进一步增强钙 钛矿型太阳能电池的转换效率，建立了 一种结合近红外光伏发电的混合系统。 采用一种 DX3 的全色性增感剂，这种 增感剂在近红外区域的响应很宽，大约 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 可达 1 100 nm，同时这种材料在模拟大 气质量和 1.5 标准日光辐射环境中的短 路电流密度可超过 30 mA cm-2。将 基于 DX3 的染料敏化太阳能电池和可 吸收可见光的钙钛矿电池相结合，这一 采用光谱拆分系统的介观混合光伏发电 技术实现了 21.5%的转换效率。 3 潜在问题及展望 在光阳极方面20-24，目前纳米 结构光阳极的发展仍然处于初级阶段， 还无法精确控制其微观形貌和结构，使 之完全满足 DSSC 光阳极的功能需求。 如何从纷繁复杂的各种材料、结构和工 艺中遴选出最具发展潜力的纳米结构形 式，并通过微观结构、光电功能的优化， 最终真正实现比纳米颗粒光阳极更高的 光电转化效率，是所有研究者必须面对 的挑战和机遇。 在光敏染料方面25-31，染料分 子结构可能对敏化太阳能电池的开路电 压有较大影响，而对于总的光电转换效 率的影响仍无规律可循，而且目前仍然 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 存在染料容易从 TiO2 上脱附，在光照 下也容易被氧化等问题，导致电池的稳 定性下降。这些因素极大地影响了 DSSC 的工业化应用。所以，继续寻找 更加匹配的电子给体或稳定度好，与 TiO2 键和牢固并且有着较强吸电子能 力的电子受体的新型敏化染料是非常必 要的。 在电解质方面32-33，现阶段电 解质分为液态、准固态、全固态。液态 电解质最大的缺点是不够稳定，易泄漏、 挥发，有腐蚀性；而采用准固态或全固 态电解质代替液态电解质，也只能在一 定程度上提高 DSSC 的稳定性，但是大 部分电池的光电转换效率还是低于含液 态电解质的电池。此外，对于其他组成 部分，例如，需要综合考虑染料、半导 体纳米晶、电解质对电极的能级匹配以 及相互作用对电池性能的影响。 在层叠结构方面，通过各种层叠 结构设计，有利于拓宽 DSSC 的光谱利 用范围。虽然光谱的可利用范围增大， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 但其电池的光电转换率并没有显著升高。 目前层叠 DSSC 的研究刚刚起步，如果 能找到具有宽光谱吸收特性、高量子转 换效率的 P 型染料以及更匹配的电解质， 或许更有利于层叠 DSSC 的发展。 4 结 论 DSSC 具有弱电发光，受环境温 度及光入射角度影响小，制备工艺简单， 同时具有可制备柔性以及艺术多彩 DSSC 等特点，这是其他种类太阳能电 池无法比拟的。如何进一步提高 DSSC 的光电转化率、开发高