染料敏华太阳能电池.docx

CHANGSHA UNIWERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY新能源材料关于染料敏化太阳能电池的综述（论文）学生姓名： 刘海莹学 号： 201249060101班 级: 风动1201班专 业： 风能与动力工程指导教师： 陈建林2014年12月关于染料敏化太阳能电池的综述（论文）姓名：刘海莹学号：201249060101（能源与动力工程风动1201）摘要：本文主要简述了染料敏化太阳能电池的概述，其基本结构，主要由透明导电基板、多孔纳米晶体TiO2薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液和透明辅助电极所构成，以及发电原理，电池的特性，及发展趋势。 关键词：染料敏化，电池，TiO2 1. 利用太阳能源的重要性： 随着人类社会的发展进步，地表内蕴藏的各种能源，如石油、天然气、瓦斯灯，在人类过度的使用与开采下，已逐步消耗殆尽。近年来，由于人们环保意识的逐步加强，世界上一些主要国家也在积极研发以清洁的可再生能源来取代矿物燃料发电，以减少传统发电方式所产生的污染问题。替代性能源主要包括太阳能、风能、地热及生物能等。其中，太阳能可以说是取之不尽、用之不竭。太阳是整个太阳系中最大的天体，它所释放的能量是维持地球生命的最主要的能量来源。太阳能电池是一种能源转化的光电组件，它在经由太阳光照射后，可以把光的能量转化成电能。而Si，GaAs，InP，CdS之类的半导体都可以用来作为光导电极等，在使用适当的电解质时，甚至可以带到10%左右的转化效率。但是，在光线照射之下，这些材料的光导电极在电解质溶液内常发生腐蚀现象，从而导致不佳的电池稳定性。因此，发展更稳定的光电化学太阳能电池，一直是全球努力的目标。许多氧化物（如TiO2，ZnO，SnO2等），在电解质溶液内都具有非常好的稳定性，但是这些氧化物的能隙都很宽，所以紧能吸收紫外线，而无法吸收可见光。直到1991年，瑞士科学家Gratzel采用多孔纳米结构的TiO2电极材料，并在其上涂上适当的有机染料光敏化剂，从而达到可以吸收可见光的效果，成功制作出了转化效率达7.1%的太阳能电池，这样的太阳能电池被称为“染料敏化太阳能电池”。2. 染料敏化太阳能电池的结构染料敏化太阳能电池的基本结构是由透明导电基板、多孔纳米晶体TiO2薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液和透明辅助电极所构成。其工作原理是以染料分子作为吸收光的主要材料，它在吸收到太阳光的同时，电子被激发到高能阶层。但激发态是一个不稳定状态，所以电子必须以最快的速度传输到紧邻的TiO2导带内，同时染料分子失去的电子，也能在第一时间从电解质中得到回馈。在TiO2导带中的电子，最终经由电极传送到外部回路，从而产生光电流作用。染料敏化太阳能电池的基本结构（如图一所示）图一 染料敏化太阳能电池的基本结构2.1 玻璃基板一般染料敏化太阳能电池的基板都是使用玻璃，在玻璃上镀上一层透明导带（TCO）。氧化铟锡（ITO）是很常见的TCO材料，它在常温下的电阻很低，但电阻会随着温度的变化而明显的变化，所以，在染料敏化太阳能电池的应用上，反而是使用掺杂氟的氧化锡（又称FTO）比较适合。TCO薄膜的厚度越厚，所得到的导电性越好，片电阻就越低。相对的，越厚的导电膜会减少光线的入适量。2.3 TiO2光导电极 TiO2是具有宽能隙的半导体材料（Eg大约为3.2eV），它不具有毒性，而且价格低廉，制作取得容易。下表列出了TiO2的一些基本物理性质。（如图二） 图二 TiO2的一些基本物理性质 图三 纳米多孔性结构的SEM相片多孔性的TiO2薄膜涂布在导电玻璃表面时，薄膜的厚度通常是数微米到数十微米。TiO2薄膜的纳米多孔性结构的SEM相片（如图三）2.3染料光敏化剂前面提到过TiO2是高能隙的半导体材料，只有波长低于388nm的紫外线才足以将电子由TiO2的价带激发到导电，但紫外线仅占太阳光的6%而已。而染料（dye）能够帮助TiO2的吸收波长扩大到可见光区，因此其扮演者光敏化剂的角色，染料可以通过吸收可见光，而激发电子传送到TiO2电极，同时它也会接受来自电解质的电子，从而达到一种回馈平衡作用。染料敏化太阳能电池，必须具备以下特性：（1） 对可见光有良好的吸收率（2） 可以紧密附着在TiO2表面，而不轻易脱落，所以色素的分子母体上必须要含有易与纳米半导体表面结合的基团（如-COOH，-SO3H，-PO3H2等），其中，羧基（-COOH）会增加TiO2导电3d轨道与色素染料轨道电子的耦合，是电子更容易转移；（3） 染料的氧化态（S+）及 （S*）要具有高稳定性与活性；（4） 激发态的寿命要足够长，而且必须具有很高的电子、空穴传输速率；（5） 具有足够的激发态的氧化还原电位，以确保激发态的电子可以顺利传输到TiO2电机内；（6） 在氧化还原过程中，要有相对低的电动势，以便减少电子转移过程中的自由能损失。使用Ru配合物的染料敏化太阳能电池，可以接受108次以上的氧化还原反应，所以耐久性佳，使得这类太阳能电池效率可以提升到10%以上。（下图四）为三种Ru-bipyridine配合物的分子结构。（图五）为各种Ru染料对不同太阳光波长的光电转换效率的比较。N3和Black这两种形态的Ru染料对光线的吸收范围很广，且光电转换效率也比较高。以N3染料而言，它的羧基（COOH）可与TiO2形成稳定的键结，而其NCS键可以促进对可见光的吸收。N3染料对可见光最大的吸收峰是发生在波长540nm。而吸收波长可延伸到750nm左右。Black染料对整个太阳光的吸收范围可以由可见光延伸到近红外线区（920nm）。 图四 三种Ru-bipyridine配合物的分子结构 图五 各种Ru染料对不同太阳光波长的光电转换效率总体来说，染料在DSSC太阳能电池中所扮演的角色，就类似于树叶上的叶绿素，它负责吸收入射的太阳光，并利用所吸收的光能来促进电子的移转反应。（图六）为植物进行光合作用的原理示意图，它是吸收外在环境的水及二氧化碳，并将其转化成碳水化合物及氧气，染料敏化太阳能电池的工作原理与其极为类似。图六 植物进行光合作用的原理示意图3. 电解质电解质的氧化还原反应，对于整个染料敏化太阳能电池的稳定操作有着很重要的影响，因为它必须在光电极与辅助电极之间提供电荷，以利于中性染料状态的重新产生。当燃料在吸收光线并是反复电子到电极后电解质必须能够尽快的提供电子，将处于氧化态的染料还原至中性态。在染料敏化太阳能电池中，最常被使用的是I-/I3-之间的氧化还原反应，这是因为电化学电动势非常适合重新还原处于氧化态的染料，而且提供最佳的DSSC动力学性质。4辅助电极碘错离子（I3-）是因碘离子（I-）还原电解质中的阳离子产生的，而碘错离子（I3-）会在辅助电极处重新还原回碘离子（I-），所以辅助电极必须扮演催化剂的角色。因此，辅助电极的材料必须具备以下的条件：（1） 电荷转移的阻力要小；（2） 具有高的电子催化活性，以利于还原碘离子；（3） 在电解质的环境下，具有良好的电化学稳定性。基于以上考虑，最适合的材料是镀有铂（Pt）的TCO玻璃。6染料敏化太阳能电池的发电原理 图七 为染料敏化太阳能电池发电原理示意图它将光子转化为电流的方式可以由以下几个重要的步骤来说明染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的工作原理1） 染料D受激发由基态跃迁到激发态D*； D + hn D* 2） 激发态染料分子(D*)将电子注入到半导体导带中； D* D+ + e- 3） I-还原氧化染料分； 3I- + 2D+ 2D + I3- 4）I3-扩散到对电击上得到电子使I-再生； I3- + 2e- 3I-5）氧化态染料与导带中的电子复合； D+ + e- D6）注入到半导体导带中的电子复合 I3- + 2e- 3I- 7）- I-提供电子后成为I3-，电极表面得到电子被还原； I3- + 2e- 3I- 5. 染料敏化太阳能电池的特性前面提过，染料敏化太阳能电池的发电原理是不同于传统的P-N结太阳能电池。除此之外，染料敏化太阳能电池还具有以下的特性。（1） 高单位时间发电量。（2） 低制造成本。（3） 原料取得容易。（4） 能够制造富有色彩的商业化产品。（5） 环境污染较少。（6） 回收性佳。6. 染料敏化太阳能电池模块化的考虑由于TCO玻璃基板的片电阻比较高，所以当DSSC的面积增加时，它的效率会受到电阻的限制。如果要扩大DSSC的规模，就必须使用模块的做法。DSSC模块是由许多个电池串联而成的，上下各有一个TCO玻璃基