染料敏化纳米晶体太阳能电池.ppt

染料敏化纳米晶体太阳能电池,Seminar I,指导教师：辛 勤研究员 孙公权研究员,2004.04.12,学 生： 李焕巧,DMFC-305,主要内容,研究背景 工作原理 研究进展,研究背景,传统化石能源 能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。 环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。 可再生能源： 风能；水能；地热；潮汐；太阳能等,具有明显的区域性,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,传统化石能源 能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。 环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。 可再生能源： 风能；水能；地热；潮汐；太阳能等,中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,太阳能的利用,洁净能源： 与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会 导致“温室效应”，也不会造成环境污染,资源丰富： 40分钟照射地球辐射的能量全球人类 一年的能量需求,使用方便： 同水能、风能等新能源相比，不受地域 的限制，利用成本低。,太阳能电池,按照所用材料的不同： 硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅） （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！） 以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池 （镉：剧毒。铟、硒：稀有元素） 功能高分子材料制备的大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短） 染料敏化纳米晶体太阳能电池 （正在研发）,Table 1 Performances of Main Solar Cells,M. Grtzel, Photoelectrochemical cells, Nature 2001(414), 338,Margolis and Kammen, Science 285, 690 (1999),Efficiency of Photovoltaic Devices,1950,1960,1970,1980,1990,2000,5,10,15,20,25,Efficiency (%),Year,染料敏化纳米晶体太阳能电池,目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10., Ref： ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,353,737740,1991年，Grtzel M.于Nature上发表了关于染料敏化纳米 晶体太阳能电池（ Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSCs ）的文 章以较低的成本得到了7%的光电转化效率， 为利用太阳能提供 了一条新的途径.,1997年，该电池的光电转换效率达到了10%11%，短路电流达 到18mA/cm2,开路电压达到720mV；,1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态 Gratzel电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起了全世界的关注。,优 点,制成透明的产品，应用范围广； 在各种光照条件下使用； 光的利用效率高； 对光阴影不敏感； 可在很宽温度范围内正常工作,电池结构,染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Grtzel型光电化学太阳能电池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。,工作原理,S* S+e- CB(TiO2),S+A- S+A,A+e-(CE) A-,Voc=1/q【（Ef）TiO2 (E（R/R-）)】,评价性能的参数（一）,=LHE（）injc,LHE（）=1-10-(),为每单位平方厘米膜表面覆盖染料的摩尔数; ()为染料吸收截面积。,inj=kinj/(-1+kinj),kinj为电子注入的速率常数； 为激发态寿命。,入射单色光的光电转换效率( IPCE ),inj为电子注入的效率,c是电极收集 注入电荷的效率,c是电极收集 注入电荷的效率,光吸收效率,Ref:Nazeeruddin,M. K., Grtzel,M. ,J.Am.Chem.Soc.1993, 115, 6382,iph ： 短路电流； Voc ：开路电压； ff ：填充因子； Is：入射光强度。,总转化效率(输出功率与输入功率之比)：,评价性能的参数（二）,影响电池光电转化效率的因素,采光效率 电子的注入 收集效率,有机光敏染料的光吸收性能,有机光敏材料与纳米微晶半导体材料的能级的匹配,电子在薄膜中的扩散性能,研究进展,敏化剂 纳米半导体材料 电解质 其他方面,敏化剂,吸收尽可能多的太阳光； 紧密吸附在纳米晶网络电极表面；（COOH,-SO3H,PO3H2等） 与相应的纳米晶的能带相匹配； 激发态寿命足够长； 具有长期的稳定性,敏化剂分类,联吡啶金属络合物系列 酞菁（Phthalocyanine）系列 卟啉（Porphyrin）系列 纯有机染料系列,N3,Black dye,Ref: Nazeeruddin M.K., et al., J. Am. Chem. Soc., 1993,115,6382 Nazeeruddin M.K., et al., Chem. Commun., 1997,1705-1706,联吡啶金属络合物系列,Ref: Hagfeldt A. and Grtzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269-277,Wavelength nm,Black dye,Ref: N azeeruddinM K, GratzelM J.Am.Chem.Soc.1993, 115: 6382 Hagfeldt A. and Grtzel M., Acc. Chem. Res.,2000,33,269,N3 和Black Dye性能比较,卟啉系列和酞菁系列,Ref: (1)A.Kay, M.Gratzel, et al.,J.Phys.Chem.1993,97,6272 (2) M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech,1998,3.39,Ref: Sayama K.,et al., Chem. Commun., 2000, 1173,Merocyanine derivative, Mb(18)-N with an overall =4.2%,纯有机染料系列（一） -半菁染料衍生物,Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783,NKX-2311,NKX-2677,纯有机染料系列（二） -香豆素衍生物,Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783,NKX-2677,Ref: Hara K., et al., New J. Chem. 2003,27,783,NKX2677 性能,纳米半导体材料,金属硫化物、金属硒化物 、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、铪、锶 、铁 、铈等的氧化物均可用作DSSCs的中的半导体材料. 1999 年,Guo（1）报道了Nb2O5 染料敏化的太阳能电池. 2000 年,Poznyak （2）等人还报道了纳米晶体In2O3 薄膜电极 的光电化学性质. 在国内,目前北京大学的研究者（3）们对各种染料敏化纳米薄膜研 究得较多。在这些半导体材料中, TiO2 ,ZnO 和SnO2的性能较好.,Ref （1）Guo P ,Aegenter M A. . Thi n Soli d Film ,1999 ,351 :290 （2）Poznyak S K,Kulak A Electrochimica Acta ,2000 ,45 :1595 （3）李斌等，感光科学与光化学 ,2000，18，336,纳米TiO2 薄膜极材料,Scanning electron micrograph of the surface of a mesoporous anatase film prepared from a hydrothermally processed TiO2 colloid. The exposed surface planes have mainly 101 orientation. Porosity: 50%. Average pore size :15nm;,制备方法： 溶胶凝胶法； 水热反应法； 溅射法； 醇盐水解法； 溅射沉积法； 等离子喷涂法； 丝网印刷法等,微观结构 （孔径 气孔率）,Ref： ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,353,737,电 解 质 材 料,液态电解质存在的缺点：,易导致敏化染料的脱附; (2) 溶剂易挥发,与敏化染料作用导致染料降解; (3) 密封工艺复杂; (4) 载流子迁移速率很慢,在高强度光照时不稳定; (5) 存在其他氧化还原反应,Ref：Tennakone K, Perera V P S , et al . J . Phys. D: Appl . Phys. ,1999 ,32 ,374.,固 态 空 穴 传 输 材 料,Grtzel 等人在1998 年用2 ,2,7 ,7-四(N ,N-二对甲氧基苯基氨基)- 9 ,9-螺环二芴(OMeTAD ,如下图所示) 作为空穴传输材料,得到了单色效率高达33 %的电池。,Bach U ,Lupo D ,Comte P , et al . Nat ure ,1998 ,395 :583,面临的主要问题,染料问题（现在公认使用效果较好的N3 制备过程较复杂,因而价格也比 较昂贵。因此,寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点） 纳米材料（