（材料物理与化学专业论文）染料敏化太阳能电池中纳米光电功能材料研究.pdf

中文摘要 摘要 染料敏化太阳能电池以其低成本、高效率，最有可能成为硅太阳能电池的替代品，由此引起了 人们的广泛关注。这种新型的纳米结构光电转换器件的组装涉及到诸多方面的工作，例如纳米晶介 孔薄膜的制备，光敏染料的设计与合成，电解质氧化还原电对的筛选与电解质组成的优化，对电极 催化性能的优化，以及器件内部各界面间电荷的转移、传输和复合的微观机理等等。本文分别针对 纳米晶电极电荷传输性能，离子液体结构与添加剂对电解质性能的影响，光敏染料分子结构与电池 光电转换之间关系，以及纳米晶电极过程与电池工作过程内部电路特性，分别做出如下研究： ( 1 ) 采用强碱水热法合成二氧化钛纳米管，并与二氧化钛纳米颗粒混合作为染料敏化太阳能电池电 极材料，当纳米管与纳米颗粒按照l ：l 摩尔比混合时，经过5 0 0 烧结l h 后，转化成锐钛矿晶型： 平均孔体积o 3 0c m 3 g ，平均孔径1 1 4 2 姗，比表面积为1 0 5 5 8n 1 2 g ；电极对染料的吸附量达到 4 8 5 x 1 0 4m o l c m 2 ；电池的短路光电流密度8 7 0i i l c m 2 ，开路光电压0 7 6v ，填充因子o 6 0 ，光电 转化效率3 9 6 。 ( 2 ) 通过丝网印刷方法在f t o 上沉积啊0 2 纳米颗粒层，然后在t i 0 2 纳米颗粒层上低温水热生长有 序z n o 纳米线。以扫描电镜观察复合电极表面结构，用电子能谱和粉末衍射确定了复合电极表面的 组成。t i t h 纳米颗粒层能够阻止电解质与导电基底之间的电子复合，同时，z n o 纳米线为电子传输 提供了快速通道，所以f t o t i c h 纳米颗粒m z n o 纳米线复合电极结构优于f t o z n o 纳米线电极和 f t o z n o 纳米颗粒电极。基于复合电极结构的电池性能：短路光电流密度8 0 4m a c m 2 ，开路光电 压0 6 7v ，填充因子0 4 0 。光电转化效率2 1 5 。 ( 3 ) 合成出五种l 一乙烯基3 _ 烷基咪唑碘( a l k y l = c r - c s ) 离子液体，测定了它们的室温黏度和离 子电导率，用量子化学方法计算l 一乙烯基一3 烷基咪唑阳离子体积：随咪唑阳离子体积增大黏度增 大和离子电导率减小。作为染料敏化太阳能电池电解质使用时，其中以阳离子体积最小( 1 0 6 6 5n m 3 ) ， 黏度最低( 2 - 3 lp a s ) 和电导率最高( 0 2 1 5m s m ) 的l 一乙烯基 甲基咪唑碘性能最佳：短路光 电流密度7 9 0m a c m 2 ，开路光电压0 7 7v ，填充因子o 5 9 。光电转化效率3 5 9 0 , 4 。当向电解质体系 中添加碘化锂时，电解质导电性能增强，但是同时电池的暗电流也随之增大。主要是因为电极表面 吸附的锂离子会降低了亥姆霍兹层电势，导致被氧化的染料分子寿命降低造成的。所以一般认为添 加碘化锂的量不宜超过o 1m 。 ( 4 ) 采用钼酸铵催化固相合成法合成了2 , 9 ，1 6 ，2 3 - 四羧基酞菁锌( z n t c p c ) ，在二甲基亚砜饱和溶 液中的q 带吸收峰为6 8 8n m 和6 1 9n m ，b 带吸收峰为2 7 9n m ，从吸光光谱角度来说，z n t c p c 可 以充分吸收近红外区域光能。通过循环伏安和光谱数据测定了z n t c p c 分子的h o m o 能级与l u m o 中文摘要 能级分别为5 7 9e v 和一3 9 9e v ：通过g a u s s9 8 计算得到z n t c p c 分子的h o m o 轨道和l u m o 轨道 分布，因为z n t c p c 的l u m o 轨道并不是分布在含有羧基的配体上。同时，h o m o 轨道也不是分布 在中心金属原子上。由此说明。染料在受到光激发时，不能有效的产生光生电子。所以，z n t c p c 作为光敏剂组装成d s s c 时，在a m l 5 模拟光照下，光电转换效率只有0 0 2 1 ，最高单色光转换 效率只有0 3 7 ：在加入月桂酸抑制z n t c p c 在电极表面聚集时，光电转换效率和最高单色光转换 效率分别为0 0 2 6 和o 6 2 。 ( 5 ) 电极过程电化学阻抗谱表明：i t o 电极，i t o t i 0 2 电极和i t o t 1 0 2 j z n t c p c 电极的电子传输性 能依次下降；在频率范围l o - 2 - - 1 0 5h z 测量电池的电化学阻抗：高频区( 1 1 0 0k h z ) 主要表现为对 电极与电解质界面阻抗z l ，中频区( 1 - 1 0 0 0h z ) 主要表现为介孔薄膜与电解质界面阻抗z 2 ，低频 区( 1 0 0m h z - ih z ) 主要表现为电解质内部扩散作用频阻抗z 3 ；其中z l ，z 2 和z 3 对应的电阻分别 为r t = 8 6 3q ，r 2 = 4 2 8q 和r 3 = 1 6 3q 。频率高于1 0 5h z 的阻抗对应的电阻为风= 4 4 6q 。 关键词：太阳能电池，纳米晶电极，酞菁锌，离子液体，等效电路 a b s l r a e t a bs t r a c t d y e - s e n s i t i z e ds o l a rc e l l s ( d s s c ) h a v ea t t r a c t e dw i d e s p r e a ds c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a li n t e r e s t 舔a h i g h e t t i e i e n e ya n dl o w - c o s ta l t e r n a t i v et ot r a d i t i o n a ls i l i c o ns o l a rc e l l s t h ed e v e l o p m e n to fk e y c o m p o n e n t s , i n c l u d i n gn a n o e r y s t a l l i n em e s o p o r o u sf i l m s ，d e s i g na n ds y n t h e s i so fd y es e n s i t i z e r s ，c h o i c eo f r e d o xc o u p l e si ne l e c t r o l y t e , c o u n t e re l e e l r o d ea n dd y n a m i cm e c h a n i s mo fi n t e r f a c e si nd s s c t h em a j o r c o n t e n t so f t h et h e s i sa r ef o l l o w s ： ( 1 ) t i t a n i an a n o t u b e ( t i n t ) w 弱s y n t h e s i z e db yt h eh y d r o t h e m a a la l k a l it r e a l r n e n tm e t h o d 椰a n d t i t a n i an a n o p a r t i e l e ( 币卜冲) w e r ef a b r i c a t e df o re l e c t r o d e si nd s s c t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sc o n s i s t i n go f t h ee q u a l 嘲ta n dt i n pm o l a rr a t i ow e r ec a l c i n e da t5 0 0 f o rll i ，r e s u l t i n gi np o r ev o l u m e0 3 0 锄3 慷 p o r es i z e11 4 2n ma n db e ts u r f a c e 撇1 0 5 5 8m 2 g 仉d y ea b s o r p t i o no f t h ec o m p o s i t ee l e c t r o d ew a s 4 8 5x1 0 。8t o o l e r a 2 t h ed s s cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yn ) 3 9 6 w i t ht h es h o r t - c i r c u i tp h o t o e u r r e n t 8 7 0m a c m 2 ，t h eo p e n - c i r c u i tp h o t o v o l t a g e ( 0 7 6va n dt h ef i l lf a c t o r ( f f ) 0 6 0w a so b t a i n e db ，ru s i n g t h ee q u a lm o l a r 啊n ta n dt i n p ( 2 ) t h eo r i e n t e dz n on a n o w i r e t i 0 2 n a n o p a r t i e l ec o m p o s i t ef i l me l e c t r o d ew 私f a b r i c a t e db y s c r e e n - p r i n t e dt i 0 2n a n o p a r t i e l el a y e ro nc o n d u c t i n gg l a s sa n dl o w - t e m p e r a t u r eh y d r o t h e r m a lg r o w t ho f z n on a n o w i r e s t h ef i l mm o r p h o l o g y , c o m p o s i t i o na n dc r y s t a l l i n ew e 他c o n f i r m e d 姆f i e l d - e m i s s i o n s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , e n c r 斟d i s p e r s i v ex - r a ys p e c t r aa n dx - r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n sr e s p e c t i v e l y t h ez n on a n o w i r e sw i t hd i r e c te l e c t r i c a lp a t h w a y se n s u r e dt h ec o l l e c t i o no fc h a r g et r a n s f e r e dt h r o u g h o u t t h ef i l me l e c t r o d er a p i d l y t h et i 0 2n a n o p a r t i d eu n d e r n e a t ht h en a n o w i r e sp r o v i d e db l o c k i n gl a y e rt o m i n i m i z et h ei n t e r f a c ec h a r g er e c o m b i n a t i o nb e t w e e ne l e c t r o l y t ea n dc o n d u c t i n gs u b s t r a t e z n on a n o w i r e s o f f e rt h ee x p 燃s w a yf o re l e c t r o nt r a n s f e r s ot h ec o m p o s i t ee l e c t r o d ei sb c t t e l - t h a nf t o z n on a n o w i r e e l e c t r o d ea n df t o z n on a n o p a r t i e l ee l e e l r o d e d s s cb a s e do i lt h ec o m p o s i t ee l e c t r o d eg a i n e dk = 8 0 4 i l i a j c l l l 2 ，v = o 6 7v , f f - - 0 4 0 ，a n d1 1 = 2 1 5 ( 3 ) f i v ef l e wi o n i cl i q u i d so fl - v i n y l - 3 一a t t y l i m i d a z o l i u mi o d i d ew e r es y n t h e s i z e dt od e v e l o pn o v e l e l e c t r o l y t e sf o rd s s c t h ee f f e c t sb c t w e e l l lp h o t o v o l t a i ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e l la n dt h ei o n i cl i q u i d f e a t u r e ss u e l a 勰v i s c o s i t ya n di o n i cc o n d u c t i v i t yw c l ed e s c r i b e d t h e1 - v i n y l 一3 - a l k y l i m i d a z o t i u mc a t i o n v o l u m ew 勰c a l c u l a t e db yq u a n t u me l a e m i s l r ym e t h o d t h el i n e a r d e p e n d e n c eo fp h o t o n - t o - c u r r e n t i l i a b s t r a c t c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo nt h en o n - s o l v a t e dc a t i o nv o l u m ew a sr e v e a l e d a f t e rl i t h i u mi o d i d ew a sa d d e di n t o 1 - v i n y l 一3 - a l k y l i m i d a z o l i u ms a l t sa se l e c t r o l y t e s ，e x c e p tt h ep h o t o v o l t a g e ，t h ep h o t o c u r r e n t , f i nf a c t o ra n d p h o t o n - t o - c u r r e n te f f i c i e n c y 鹏i m p r o v e dc o r r e s p o n d i n g l y d s s cp e r f o r m a n c eb a s e d o n 1 - v i n y l 一3 - a l k y l i m i d a z o l i u mi o d i d e sa se l e c t r o l y t e sd e p e n d e dg r e a t l yo ni o n i cl i q u i dp r o p e r t i e ss u c h 弱 c a t i o nv o l u m e ，v i s c o s i t ya n di o n i cc o n d u c t i v i t y ko f7 9 0m a c m 2 , v o f0 7 7 、f fo f0 5 9a n d1 1o f 3 5 9 w e r eo b t a i n e df o rm v i ie l e c t r o l y t e ，w h i c hp o s s e s s e ss m a l lm v l * v o l u m eo f1 0 6 6 5n l n 3 ，l o wt i no f 2 3 lp a sa n dh i g hoo f 0 2 1 5m s m t h ea d d i t i o no f as m a l ll i + c a t i o ni ni o n i cl i q u i de l e c t r o l y t ec a u s e s t h eb a n de d g e st os h i f tt oam o r ep o s i t i v ep o t e n t i a l t h ea c t i v el i + c a t i o n sa d s o r b e do nt h et i 0 2s u r f a c e 锄 i n d u c et h ep o t e n t i a ld r o pa c r o s st h eh e l m h o l t zl a y e ra n ds h o r t e nt h e d y ec a t i o nl i f e t i m eo ns e n s i t i z e dn 0 2 a d d i t i o no fl i ii n t oi o u i cl i q u i de l e c t r o l y t e sr e s u l t e di n d e c r e a s ea n dd a r kc u r r e n ti n c r e a s e ，w h e r e a sj 勘 f fa n d 1 1a i i m p m v e dc o r r e s p o n d i n g l y g e n e r a l l yt h ea d d i t i o no fl i li n t ot h ee l e c t r o l y t ei sl e s st h a n0 1m ( 4 ) 2 , 9 ，1 6 , 2 3 - 蛐x yz i n cp h t h a l o c y a n i n e ( z n t c p c ) i sp r e p a r e db yt h es o l i ds t a t em e t h o dw i t ht h e a m m o n i u mm o l y b d a t ea sc a t a l y s t s z n t c p c d m s os a t u r a t e ds o l u t i o ni sc h a r a c t e r i z e db yt h es h a r p a b s o r p t i o nb a n d si nt h ebb a n d ( 2 7 9u m ) a n di nt h eqb a n dr e g i o n ( 6 8 8a n d6 1 9n m ) t h ea b s o r b a n c e e n s u r e st h en e a r - i rp e r f o r m a n c ei nd s s c t h eh o m ol e v e la n dl u m ol e v e lo fz n t c p ca r co b t a i n e d f r o mc y c l i cv o l t a m m e t r ya n ds p e c t r u m , s u c ha sh o m o = - 5 7 9e va n dl u m o = 3 9 9e v t h eo r b i t a l p r o f i l e sf o rt h eh o m o a n dl u m oo fz n t c p ca p r e s e n t e db yg a n s s 9 8 t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sr e v e a lt h a t t h eh o m o p r o f i l e sa r en o te f f e c t i v e l ys h a r e db yb o t ht h ez nm e t a la n dl i g a n d s t h el u m op r o f i l e sa 他n o t a m p l i t u d e0 1 1c a r b o x y l t h ez n t c p c s e n s i t i z e ds o l a rc e l l sh a v et h ep o o rp e r f o r m a n c e , s u c ha st 1 = 0 0 2 1 a n di p c e20 3 7 o p c e , i n c i d e n tp h o t o n - t o - e l e c t r o nc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ) a f t e rc o - s e n s i t i z a t i o nw i t h l a u r i ca c i d , t h ec e l lp e r f o r m a n c ei ss t i l ll o w “= 0 0 2 6 a n di p c e = o 6 2 ) ( 5 ) t h ee l e c t r o c h e m i c a li m p e d 柚c es p e c t r o s c o p y 但i s ) o f 舭e l e c t r o d ep r o c e s ss h o w st h a tt h e c h a r g e - w a n s f e ra b i l i t yo fl t oe l e c t r o d e , i t o t i o ze l e c t r o d ea n di t o t i o z z n t c p ce l e c t r o d ea 他w e a k e n e d s e q u e n t i a l l y t h r e es e m i c i 此l e si nd s s ce i sa 地o b s e r v e di nt h em e a s u r e df i e q u e n c yi b n g eo f1 2 - l o sh z t h es e m i c i r c l e si nt h ef r e q u e n c yr e g i o n sl 一10 0 虹i z 1 - 10 0 0h 互a n d10 0m h z - 1h z 眦a t t r i b u t e dt o i m p e d a n c er e l a t e dt oc h a r g e - t r a n s f e rp r o c e s s e s0 c c u r r i i l ga tt h ep tc o u n t e r e l e c t r o d e ( z 1 ) a tt h et i 0 2 d y e e l e c t r o l y t ei n t e r f a c e ( z 2 ) ，a n di nn e m s t i a nd i f f u s i o nw i t h i nt h ee l e c t r o l y t e ( z 3 ) r e s p e c t i v e l y z l ，z 2 a n dz 3d e s c r i b e8 si m p e d a n c 燃r i ，r 2 ，r 3a n d 凡a 托i n t e r n a lr e s i s t a n c ee l e m e n t s t h ev a l u e so f r l ，r 2 ，r 3 a n dr aa r e8 6 3 ，4 2 8 ，16 3a n d4 4 6q r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：s o l a rc e l l s , n a n o c r y s t a l l i n ee l e c 舡o d e , z i n cp h t h a l o c y a n i n e , i o n i cl i q u i d s , e q u i v a l e n tc i r c u i t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 乏茗车 日期： z 6 0 艿r 亍i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：班车一导师签名：锨日期：垫盟峨 第一章绪论 第一章绪论 人类目前使用的主要能源有石油、天然气和煤炭。进入2 0 世纪以来，世界工业文明得以迅猛发 展，由此引发的能源危机和环境污染成为急待解决的严重问题。根据国际能源机构( 1 e a , i n t e r n a t i o n a l e n e r g ya g e n c y ) 的统计，地球上这三种能源能供人类开采的年限分别只有4 0 、5 0 和2 4 0 年。根据 i e a 在2 0 0 2 年1 2 月7 日发布的报告：全球8 0 的二氧化碳是由2 2 个国家排放的。二氧化碳排放量 最多的是美国，占总量的2 3 ，其次是中国，占总量的1 3 。中国已经成为世界第二大二氧化碳排 放国，而中国一次性能源剩余可开采储蓄量仅为1 3 9 0 亿吨标准煤，按照中国2 0 0 3 年的开采速度1 6 6 7 亿吨年，仅能维持8 3 年。中国石油资源不足，天然气资源也不够丰富，中国已成为世界第二大石 油进口国。2 0 0 7 年1 1 月1 7 日，联合国政府间气候变化专门委员会( i p c c ，i n t e r g o v e m m e n t a lp a n e lo n c l i m a t ec h a n g e ) 通过的第4 次报告指出：为了抑制全球变暖，今后2 0 一3 0 年的努力与投资非常重 要，制定地球变暖对策已迫在眉睫，作为削减温室气体的第一大候选洁净能源太阳能受到的期 待也越来越大。太阳光能通过太阳能电池直接转化成电能是解决世界范围内的能源危机和环境问题 的一条重要途径，是创造可持续能源的一种有效方法，该技术具有模块化、安全性高和洁净环保等 优点，可以满足将来人们对可持续能源的需要。 1 1 太阳能电池主要类别 太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收太阳光能后，发生光 电子转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池主要可分为： ( 1 ) 硅系太阳能电池：单晶硅、多晶硅和非晶硅电池； ( 2 ) 多元化合物薄膜太阳能电池：砷化镓i i i - v 、硫化镉和铜铟硒电池： ( 3 ) 聚合物太阳能电池： ( 4 ) 染料敏化纳米晶太阳能电池。 1 1 1 单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅 材料和相关成熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电池工艺已经成熟，在电池制作中，一般 都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅 电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。日本京瓷 ( k y o o e r a ) 公司制备的大面积( 2 2 5c m 2 ) 单晶硅太阳能电池转换效率为1 9 “；北京太阳能研究 所研制的平面高效单晶硅电池( 2 x 2c m 2 ) 转换效率达到1 9 7 9 ，刻槽埋栅电极单晶硅电池( 5 x 5c m 2 ) 转换效率达8 6 。单晶硅太阳能电池光电转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占 据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不 下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现 在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 l 东南大学博士学位论文 1 1 2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度3 5 0 - - 4 5 0i x m 的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇 铸的硅锭上面锯割而成，实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用 化学气相沉积法( c v d ，c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ，包括低压化学气相沉积法( l p c v d ，l o wp r e s s u r e c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 和等离子增强化学气相沉积法( p e c v d , p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ) 工艺。此外，液相外延法( l p e ，l i q u i dp h a s ee p i t a x y ) 和溅射沉积法( s p ，s p u t t e r i n g d e p o s i t i o n ) 也可用来制备多晶硅薄膜电池。化学气相沉积主要是以s i h 2 c 1 2 ，s i h c b ，s i c l 4 或s i l - h 为反应气体，在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用s i ， s i 0 2 和s i 3 n 4 等。但是，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。解决这 一问题办法是先用l p c v d 在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大 的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节， 目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。日本三菱( m i t s u b i s h i ) 公司采用再结晶法制 作的多晶硅太阳能电池效率达1 6 4 2 ，德国费莱堡太阳能研究中心( s o l a ri n f oc e n t e rf r e i b u r g ) 的 该类产品的转换效率能够达到1 9 。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退 问题，并有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。 1 1 3 非晶硅薄膜太阳能电池 非晶硅太阳能电池是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一种新型薄膜太阳能电池，其最大的特点 是在降低成本方面有很大的优势，而且便于大面积连续生产。非晶硅太阳能电池经典结构：p i - n 型， 首先在衬底上沉积一层掺杂磷的n 型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i 层，然后再沉积一层掺硼的p 型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，蒸镀银电极。这种多层结构可以明显降低s w 效应 ( s t a e b l e r - w r o n s k ie f f e c t ) 对电池效率的影响【l 】。非晶硅薄膜太阳能电池主要制各方法：反应溅射 ( a s ，a c t i v e l ys p u t t e r i n g ) 法，p e c v d 法和l p c v d 法等，反应原料气体为h 2 稀释的s i h 4 ，衬底主 要为玻璃或不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳 能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效 率达到1 3 ，创下新的记录；第二、三叠层太阳能电池年生产能力达5m w 。美国联合太阳能公司 ( v s s c ) 制得的单结太阳能电池最高转换效率为9 3 ，三带隙三叠层电池最高转换效率为1 3 。 1 1 4 多元化合物太阳能电池 以无机盐作为材料的多元化合物太阳能电池包括：v 族化合物电池和族化合物电池。其 中，v 族化合物电池主要有q 叭s 电池、i n p 电池和g a s b 电池等，族化合物电池主要有 c a s c u i n s e 电池和c a s c d t e 电池等。i n v 化合物电池的转换效率可达2 8 ，c o d a s 化合物材料具 有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电 池。但g a a s 材料价格不菲，在很大程度上限制了g a a s 电池的广泛应用。c u l n s c 2 电池和c u l n s 2 电 2 第一# 绪论 池不存在光敛衰i 【! 问题，转换技章与多晶硅太阳能电池帽媲美w 目其有价格低廉、性能娃奸和 丁岂简单等优；l ，将成为令后发展太阳能屯池的一个重饕方向。唯的h 题是材料的束源，山j _ l 凼 和硒都是比较稀有的儿素，蚓此，这娄屯池的发展又必然受刮限制。c d st 阿ec d t e 多品薄膜电池的敬 率较非品徘薄膜 幽能电池效半高，成本较单品砘电池低，蚪且也易j 大规模生产，但由j 金描镉 且宵剧薄会对王f _ 境造成严重的“染，恤此，并不是品体k 太阳能电池最理想的替代产品。 ll5 聚台物a 阳能电池 n 阳能电池中以j 轭崇合物代替尢机半导体材料是一种制备太阳能电池f n 新碰技术。聚台 物太阳能屯池通常是由共轭聚台物给体雨i 电了受体( 如c m 或无机半导体纳术t 捕等) 帕扎混膜必存 氧化铡锄( i t o i n d i u mt i no x i d e s ) 导电玻璃电极和套属电捉之州所组成。光照下，共轭集台物吸 收光子后 不甫接产1 可f | 由移动的屯子和卒穴，n 】是产卡j 南i t 负偶极的激f ( e x c i l o n ) 。然后激 f 扩散刮策台物，l uf 受体捍爿在那坐将旭r 转移给受体，从】f 【j 宦蚬电f 和，；，“的分离，被分离的 电子和空穴向电极扩敞扑分别在阴极干几m 饭l 被收懿，从形成光电j l ，和光电流。t i - 科院化学所李 水舫研究员【2j 合成了既凡自高电r 迁移率卫h 自觉波段吸收的n 掣黑色导电聚台物。卅政聚合物作 受体与聚噻吩衍生物给体兆混，构筑r 土聚合物其捏太阳能电池，器州卉模拟太阳光( m 15 ，1 0 0 m w c m 。1f 的能啭转化敛# 超过i ，返也是立献报道的仝聚台物其混敬率最高的 m 能电池之。 自机利科以其米源广泛，桑性好，弃易 j 【i 丁，“及成奉低等忧势，对大规模利用 阚能，提供廉价 电能且自重耍意义。但以仃机剃料制需a 蝌能咆池帕研究仅仅川丌始，水论星使崩寿命。址是电池 效率都小能和硅电池相比。 】l6 染料敞化a 刚能电池 】9 9 】q j 瑞十洛桑j 学院( e p f le c o l ep o l y t e c h n i q u ef e d r a l ed el a u s a n n e ) g r t z e l 小组也n a t u r e 3 上撤道了一种光电转换效；# 逃到71 的染料敏化太阳能电池( d s s cd y e - s e n s i t i z e ds o l a r c e l l s ) 。也 称为g r l t l z e l 电池。 y 一 = 1 ，、k ：一 ，f ，p 。i 、 ?- 。】 ， 移、：= 、 瑚l id s s c 结构示意陶 东南大学博士学位论文 图1 1 为d s s c 结构示意图：在掺氟导电玻璃( f t o ，f l u o d n e - d o p e x it mo x i d e ) 或者透明导电玻 璃( t c o t r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d e ) 上，沉积一层由宽禁带半导体纳米晶形成的介孔网状薄膜； 薄膜上吸附着单层光敏染料，从而形成染料敏化光电极；介孔薄膜孔隙中充满液体氧化还原电解质； 对电极通过电解质与光电极连接。整个电池为夹心三明治结构。光照下，光激发染料产生的电子注 入到半导体，然后向f t o 基底转移，通过外电路循环到达对电极；同时，电解质还原被氧化的染料， 并将正电荷向对电极转移；正电荷在对电极得到由外电路传输过来的电子。从而完成一个循环，在 外回路中产生持续的光电流和光电压。目前这样一个循环过程光电转换效率能够达到1 0 以上【4 】， 但对于制备较大面积的d s s c 来说，电池封装是个相对比较难解决的问题。 d s s c 作为新一代能够实用化的太阳能电池，主要以低成本、低污染的化学方法制备，其成本 仅为硅太阳电池的1 5 - - 1 1 0 ；短路电流密度( ks h o r tc i r c u i tp h o t o c u r r 蜘td e m s i t y ) 1 6 - - 2 2m a g t f l 2 ， 开路电压( 、k oo p e nc i r c u i tc u r r e n t ) o 7 一o 8v ，填充因子( f f ，f i l lf a c t o r ) 0 6 5 0 7 5 和总光电转 换效率( q ，o v e r a l lp h o t ot oe l e c t r i c i t yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ) 1 0 4 【4 】：产品具有透明性、可任意裁 减性适合做成光伏窗：对弱光依然敏感，光线入射角度任意；工作温度范围广；寿命能达到2 0 年等 可实用化特点【5 】。 表1 1 主要类型太阳能电池光电转换效率与研究内容【6 】 c r y s t a l l i n es i l i c o n 2 41 0 - 1 5 m u l t i c r y s t a l l i n es i l i c o n 189 - 12 a m o r p h o u ss i l i c o n 1 37 c u l n s e = 2 1 91 2 d s s c l m l l7 b i p o l a ra i g a a s s i o r g a n i cs o l a rc e l l s 1 9 2 0 2 3一 h i g h e rp r o d u c t i o ny i e l d s ，l o w e r i n go fc o s ta n de n g i - g yc o n t e n t l o w e rm a n u f a c t u r i n gc o s ta n dc o m p l e x i t y l o w e rp r o d u c t i o nc o s t s ，i n c r e a s e p r o d u c t i o nv o l u m ea n d s t a b i l i t y r e p l a c ei n d i u m ( t o oe x p e n s i v ea n dl i m i t e ds u p p l y ) ，r e p l a c e c d sw i n d o wl a y e r , s c a l e 印p r o d u c t i o n i m p r o v ee f f i c i e n c ya n dh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y , s c a l eu p p r o d u c t i o n r e d u c em a t e d a l sc o s t , a l eu pp r o d u c t i o n i m p r o v es t a b i l i t ya n de f f i c i e n c y 1 2d s s c 光电化学基础 能将太阳光能直接转化成电能的光伏器件( p h o t o v o l t a i cd e v i c e s ) 都是在光的诱导下，通过两个 功能化不同的电极，以及外部回路产生光伏效应，实现将光能转化成电能。从本质上来说，光伏电 池的工作原理涉及两个根本问题：一是光照下，电子如何产生；二是电荷如何分离【7 】。常规的p - n 结太阳能电池( p - ns c ，p - nj u n c t i o ns o l a rc e l l s ) ，例如硅太阳能电池，半导体起到两种作用：一是捕