染料敏化太阳能电池浅析课件.ppt

1991年，ORegan等首次组装出光电转换效率达7.17.9的染料敏化纳米晶太阳能电池（Nano-crystallineDye-sensitizedSolarCells，DSSCs），开创了太阳能电池研究和发展的全新领域。染料敏化太阳能电池以其成本廉价，制作工艺简单受到学术界的广大关注。,2012/4/8,报告主要内容：,染料敏化太阳能电池的结构及其原理衡量器件特性的相关参数研究现状,2012/4/8,1.1染料敏化太阳能电池结构,染料敏化太阳能电池主要由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的半导体薄（如TiO2,ZnO,Nb2O5,SnO2等一系列宽禁带半导体材料）、敏化剂分子、电解质和对电极4部分构成:,2012/4/8,1.1染料敏化太阳能电池结构,TiO2纳米晶薄膜为光阳极,在TiO2多孔薄膜上吸附一层作为光敏剂的染料,对电极采用导电玻璃,充满两电极间的是电解质。,2012/4/8,1.2染料敏化太阳能电池的原理,最具代表性的染料敏化太阳能电池是Gratzel电池，其工作原理如图中实线箭头所示。由于TiO2带隙为3.2eV,可见光不能将其激发，所以在TiO2表面吸附一层对可见光吸收特性良好的敏化剂。,2012/4/8,1.2染料敏化太阳能电池的原理,在可见光的作用下，敏化剂分子通过吸收光能跃迁到激发态，由于激发态不稳定，敏化剂分子与TiO2表面发生相互作用，电子很快跃迁到较低能级的TiO2导带，进入TiO2导带中的电子最终进入ITO导电膜，然后通过外回路产生光电流。氧化态的染料敏化剂被电介质还原回到基态，还原态的电解质被从阴极进入的电子还原回到原来的状态，如此构成了一个循环。,2012/4/8,1.2染料敏化太阳能电池的原理,具体过程如下：基态染料(S)+h激发态染料(S*)(染料激发)激发态染料(S*)+TiO2e-(TiO2导带)+氧化态染料(S+)(光电流产生)氧化态染料(S+)+还原态电解质(R-)基态染料(S)+氧化态电解质(R)(燃料还原)氧化态电解质(R)+e-(阴极)还原态电解质(R-)(电解质还原),2012/4/8,1.2染料敏化太阳能电池的原理,从光电转换基本原理中可以看出，电子能级的相对位置决定着光电荷的产生和传输性质，电池中光的捕获和光生载流子的传输是由光敏化剂和TiO2分别执行。这和传统的p-n结光伏电池不同，因为在光伏电池中这两种作用均由半导体来完成。,2012/4/8,2染料敏化太阳能电池的特性参数,2.1伏安特性曲线在无光照时，电池起二极管作用，外加电压和电流的关系曲线叫做光电池的暗特性曲线。在一定光照下，光生电流IL是一个常量，这两条曲线在第四象限所包围的区域就是太阳能电池的输出功率曲线。,2012/4/8,2染料敏化太阳能电池的特性参数,2.2开路电压Voc当电池外回路处于开路状态时，光生少子将在电极附近积累，最大程度的补偿原来的接触电势，此时将产生最大数值的光生电动势，即电池的光生电动势Voc。,2012/4/8,2染料敏化太阳能电池的特性参数,2.3短路电流Isc当太阳能电池的外回路处于短路状态时，光生少子将不在电池内部积累，而是流经外回路，此时外回路中将产生大量的光生电流即Isc,2012/4/8,2染料敏化太阳能电池的特性参数,2.4填充因子FFFF定义为电池所能提供的最大功率与Isc、Voc乘积之比。,2012/4/8,2染料敏化太阳能电池的特性参数,2.5外量子效率EQE外量子效率又称为光电转换效率(IPCE)，代表注入一个光子时，光电流所能取出的最多电子数。,2012/4/8,3染料敏化太阳能电池的现状,3.1TiO2纳米多孔膜TiO2纳米多孔膜的制备方法有很多，主要有：括溶胶凝胶法、水热反应法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法、丝网印刷法等。溶胶凝胶法主要是将前驱物溶于溶剂中形成均匀的溶液,溶质与溶剂产生水解或醇盐反应,反应生成物聚集成纳米级粒子并组成溶胶。然后就可以选用多种方法,如通过玻璃棒涂覆、旋涂、提拉等方式将溶胶覆盖在衬底上,再经蒸发干燥或自然烘干转变成凝胶成膜。,2012/4/8,3染料敏化太阳能电池的现状,3.2染料敏化剂染料性能的好坏直接关系到DSCs电池的效率高一个好的染料敏化剂必须满足下列条件:容易吸附在TiO2表面,对可见光吸收强。具有基态和激发态的高稳定性,保证电子传输的高效率。激发态寿命足够长,且具有很高的电荷传输效率。有适当的氧化还原电势,以保证染料激发态电子注入到TiO2导带中,即敏化染料能级与TiO2能级匹配。,2012/4/8,3染料敏化太阳能电池的现状,3.3电解质DSCs电池中电解液的主要作用就是在光电极与对电极之间运载电荷,并使氧化态染料还原而重生。目前用于DSCs的电解质有两大类:液态电解质和固态电解质。由于液态电解质扩散速率快,组成成分易调节,对纳米多孔膜的渗透性好,因而利用液态电解质得到了效率最高的DSCs电池,其转换效率为11.04%。目前固态电解质典型的有P型半导体材料、空穴传输有机分子材料及固态复合电解质。,2012/4/8,3染料敏化太阳能电池的现状,近年来，主要从以下几方面入手来提高燃料敏化太阳能电池的性能：敏化燃料的选择。公认使用效果最好的染料RuL2(SCN)2的制备过程比较复杂,而钌是稀有金属,价格较昂贵,来源也比较困难。其次,现有的染料光敏化剂的吸收光谱有限,若能找到具有吸收范围更宽的染料光敏化剂,有助于提高光电转换效率。,2012/4/8,3染料敏化太阳能电池的现状,纳米薄膜制备。电子在纳米晶体网格中的传输过程中与电子受体的复合会引起电流损失,这个问题在电极面积放大时尤为严重。因此,需要在探索电极微结构与光电性质的基础上,优化纳米晶膜,使注入电子在传输过程中的损失达到最小,探索多种半导体的复合膜是今后的主要研究内容。,2012/4/8,3染料敏化太阳能电池的现状,固体空穴传输材料的研究。由于液态电解质容易导致吸附在薄膜上的燃料解吸，影响电池的稳定性。再加上电解质本身不稳定，易发生化学变化，从而导致太阳能电池的失效。目前考虑用固态物质代替液态电解质，典型的就有P型半导体材料、空穴传输性有机分子材料、以及固态复合电解质。其中，利用空穴传输材料代替液态电解质将是今后研究的重点。,2012/4/8,Theeffectsof100nm-diameterAunanoparticlesondye-sensitizedsolarcells99-253107,2012/4/8,在不同的Au/TiO2的质量比时电流密度-电压特性,Theeffectsof100nm-diameterAunanoparticlesondye-sensitizedsolarcells99-253107,2012/4/8,在不同的Au/TiO2的质量比时的IPCE光谱图,Theeffectsof100nm-diameterAunanoparticlesondye-sensitizedsolarcells99-253107,2012/4/8,燃料吸附前薄膜的漫反射和吸收,Theeffectsof100nm-diameterAunanoparticlesondye-sensitizedsolarcells99-253107,2012/4/8,燃料吸附以后薄膜的漫反射以及吸收,Theeffectsof100nm-diameterAunanoparticlesondye-sensitizedsolarcells99-253107,2012/4/8,薄膜反射、吸收、投射率比较,Lowtemperatureprocessingsolid-statedyesensitizedsolarcells100-113901,2012/4/8,Lowtemperatureprocessingsolid-stated