纳米材料在染料敏化太阳能中的应用.doc

纳米材料在染料敏化太阳能中的应用姓名：黄永 学号;5802109011 班级：环化学院环工091摘要：随着化石能源的逐渐枯竭以及温室气体导致的全球气候变化加剧，寻求新的替代能源及如何减少温室气体的排放等问题，本文将论述染料敏华太阳能的现状，几种常用的能在敏化太阳能中应用的纳米材料和前景关键词: 染料敏化太阳能电池、纤维状无TCO染料、透明导电氧化物薄膜TCO等,太阳能是干净、无污染的能源，而且取之不尽、用之不竭近年来，太阳能电池的发展非常迅速，已经广泛应用在国民经济的许多领域。如何提高太阳能电池的光电转化效率以及降低制造成本，目前已成为发展太阳能电池工业的研究重点1染料敏化太阳能电池进展和现状和研究重点和进展1.1染料敏华太阳能的现状.在太阳能电池中，染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，它首先是在1991年由瑞士科学家Michael Gratzer和Brian 0Regan发明的。染料敏化纳米晶太阳能电池(DyeSensitized Nanocrystalline Photovoltaic Solar Cells)是一种非常有应用前景的清洁太阳能装置，它具有结构简单、成本低廉、易于制造等优点，对光强度变化和温度变化不敏感，光电转化效率较高，光稳定性好，对环境无污染。因此，自它诞生之日起就受到了人们的广泛关注。经过十多年的发展，染料敏化纳米晶太阳能电池的光电转化效率已稳定在10左右（1）。此项研 究也已列人我国的973计划中。目前的研究主要集中在新染料的合成、新型半导体纳米晶 薄膜材料的制备、新型固态电解质的合成以及电池的设计和封装工艺等方面2.几种常用的敏华材料2.1敏化染料（对敏华材料的要求）敏化染料分子的性质是电子生成和注入的关键因素, 作为光敏剂染料须具有以下条件: 对二氧化钛纳米晶结构的半导体电极表面有良好的吸附性, 即能够快速达到吸附平衡, 而且不易脱落; 在可见光区有较强的、尽量宽的吸收带; 染料的氧化态和激发态要有较高的稳定性; 激发态寿命足够长, 且具有很高的电荷传输效率, 这将延长电子-空穴分离时间, 对电子的注人效率有决定性作用; 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二氧化钛导带.金属有机配位化合物、纯有机染料、天然植物提取物等都可作为光敏剂. 图5中Ru ( ) (4, 4- 二羧酸- 2, 2- 联吡啶) 2 ( SCN) 2 是迄今发现性能最好的钌配合物电荷转移敏化剂.（2）2.2几种常用的染料敏华材料 2.1.1 日本开发出“纤维状无TCO染料敏化太阳能电池”来自日本的研究人员开发出一种“纤维状无TCO染料敏化太阳能电池(fiber-type TCO-less dye sensitized solar cell)”，这种太阳能电池是将染料敏化太阳能电池层，环绕着一根长3.5厘米(cm)、直径9毫米(mm)玻璃纤维所组成。该研究团队来日本九州岛科技大学的生命科学与系统工程研究所，其研究人员将一层氧化钛、一层敏化颜料，以及一层多孔钛(porous Ti)作为电极(正极);一层包含碘等电解质的多孔层，以及一层白金(Pt)与钛作为另一端电极(负极)。将上述两种电极顺序环绕着玻璃纤维;而除了该玻璃纤维的两端，整个太阳能电池都以钛覆盖着。将光线从玻璃纤维的一端透进去，光就会被太阳能电池中的染料所吸收，并转换成电力;而若是该纤维稍有倾斜，在光线从另一端出去之前，就不会在表面下的玻璃造成完全反射。目前该种太阳能电池所展现的转换效率，在使用某种染料的情况下仅稍高于1%，该数字稍低了些，且由于该种电池使用的玻璃纤维有9mm直径，长度却只有1.5公分左右，因此大约有九成从纤维的一端入射，从另一端出去的光线并没有被转换。预计未来该种太阳能电池的净转换率(net conversion efficiency)可望达到10%，被浪费的光线问题能透过增加光纤的长度或是减少纤维直径来克服。而该种新型太阳能电池与标准染料敏化太阳能电池的一个最大差异，是新电池并不使用透明电极(透明导电氧化物薄膜TCO)，研究人员计划利用尚未被现有染料敏化太阳能电池所使用的近红外线(near-infrared)能源，来产生电力。（3） 2.1.2夏普研究染料敏化太阳能电池以降低生产成本据海外媒体报道，夏普已开始研发染料敏化太阳能电池(DSSCs)，希望第2世代的太阳能电池能大幅降低生产成本，并助公司在充满竞争的市场上取得先机。这项研究主要在 Sharp结晶太阳能电池事业部进行，该事业部位于奈良县葛城市，该公司预计在2020年左右，将该产品商业化推出。该公司研究人员表示，高光电转换效率的雏形电池，大多为深绿色，因为这是最适合吸收太阳光的颜色，同时也较不会产生颜色不均的现象。通常用于油漆之类的有机染料，含有金属复合体，一接收到太阳光，便会释出电子。利用这项特点，将染料与电解液置放在导电板两侧，可从中产生电力。制造的原理很简单，但是要选择何种染料与电解液做结合，却令人伤透脑筋，因为光电转换效率的好坏，与选材的关系密切，研究人员必须反复测试不同材料的组合，以求提高光电转换效率。受到日本新能源产业科技发展组织(NEDO)的委托，夏普希望在2009年会计年度结束前，将每 900平方公分的DSSCs光电转换效率提高8%。去年该公司成功制造出每25平方公尺光电转换效率达8.2%的DSSC，目前为全球该尺寸最高光电转换率的DSSC。夏普研发一部总经理表示：“我们目标是将转换率提高超过 10%，推出商业化的DSSC。”因为目前主流的单晶硅太阳能电池，其模块光电转换效率已达约15%。（4）3 纳米材料在染料敏化太阳能中的应用前景目前市场上的太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅两种。但这两种太阳能电池最大的问题在于工艺条件苛刻，制造成本过高，不利于广泛应用。而上世纪90年代出现的纳米TiO2有机半导体复合太阳能电池和有机/聚合物太阳能电池，工艺条件简单，成本较低，有可能成为21世纪太阳能电池的新贵。染料敏化太阳能电池极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导能源是世界经济发展的首要问题，当前，许多国家都把发展新能源作为应对金融危机、加快经济复苏的重要举措。我国改善能源结构也必须积极发展可再生能源和新能源，不断提高清洁能源在能源结构中的比重。作为一种“取之不尽、用之不竭”的洁净的天然能源，太阳能成为最有希望的能源之一。目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是硅系太阳能电池，但硅系电池原料成本高、生产工艺复杂、效率提高潜力有限，其光电转换效率的理论极限值为30%，因此其民用化受到技术性限制，急需开发低成本的太阳能电池。结论：本文着重介绍了在能源缺乏的现在，我们可以用以寻求出路的纳米材料在染料敏化太阳能中的现状，前景和几种常见的敏化材料，虽然我们目前并不能将其应用以工业生产中，但是我们相信在不久的将来我们一定可以克服许多困难，让它成为我们以后的主要能源，（1） 施永明, 赵高凌, 等. 染料敏化纳米薄膜太阳能电池的研究进展 J .（2） Ma Ting - li, Inoue K, Noma H,（3） 、（4）戴松元, 王孔嘉, 邬钦崇, 等. 纳米晶体化学太阳电池的研究 J Nanomaterials in dye-sensitized solar application of Name :huangyong nomber:5802109011 grade:environmental engineeringSummary: with the gradual depletion of fossil energy and greenhouse gases result in global climate change exacerbates, seek new alternative energy and how to reduce greenhouse gas emissions and other issues, this article discusses the dye-Hua solar energy situation severa