纳米TiO2染料敏化太阳能电池研究进展.doc

纳米TiO2染料敏化太阳能电池研究进展姓名 学号 学院： 班级：摘要：介绍染料敏化纳米晶tio2太阳能电池的结构及其原理，对影响其光电转换效率的关键因素，介绍一种染料敏化tio2太阳能电池的手工制作方法，纳米tio2染料敏化太阳能电池的发展方向。关键字：tio2；太阳能电池；染料敏化，纳米薄膜。1、引言 当今世界能源危机越来越突出了，成为人类在21世纪面临的俩大挑战之一。开发和寻找一种可再生的绿色能源显得异常重要，尤其是随着全球温室效应的加剧，化学能源的消耗必须得到一定的控制，这就极大的阻碍了全球的发展。而太阳能这一巨大的能源就备受各国科学家青睐。如今各个国家都投入大量的精力来发展太阳能电池，而作为一种新型的科学技术纳米材料自然而然的被运用到研究太阳能电池上来，这就有了纳米tio2染料敏化太阳能电池。Tio2染料敏化电池（Dye-sensitized Solar Cell,简称DSSC）彻底抛弃摈弃了传统的硅电池工艺，其最大优势是廉价的成本以及非常简单的制作工艺，应持有了很好的应用前景，其制备与应用研究受到各国学术界的重视，并成为化学和材料科学研究的前沿领域。2染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的结构及其原理2.1染料敏化电池的基本结构主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I- 22染料敏化电池的原理 染料敏化太阳能电池具有类似三明治的结构，将纳米二氧化钛烧结在导电玻璃上，再将光敏染料镶嵌在多孔纳米二氧化钛表面形成工作电极，在工作电极和对电极（通常为担载了催化量铂或者碳的导电玻璃）之间是含有氧化还原物质对(常用I2和I-) 的液体电解质，它浸入纳米二氧化钛的孔穴与光敏染料接触。在入射光的照射下，镶嵌在纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收光子，跃迁到激发态，然后向二氧化钛的导带注入电子，染料成为氧化态的正离子，电子通过外电路形成电流到对电极，染料正离子接受电解质溶液中还原剂的电子，还原为最初染料，而电解质中的氧化剂扩散到对电极得到电子而使还原剂得到再生，形成一个完整的循环，在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。与光合作用中心叶绿体结构相比，染料敏化太阳能电池具有类似的结构。它的纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体中的类囊体，起着支撑染料敏化剂分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用；染料敏化剂分子则相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。和光合作用一样，基于纳米晶电极的太阳能电池构成了由太阳光驱动的分子电子泵。模拟植物光合作用原理制造太阳能电池一直是人类的一个梦想，经过近二十年的发展，这一梦想越来越接近于实现并造福人类社会。3对影响其光电转换效率的关键因素31TiO2纳米多孔膜 TiO2纳米多孔膜具有孔隙率高、比表面积大的优点，他是整个太阳能电池的关键，其性能的好坏直接关系到太阳能电池的效率。TiO2晶粒大小、形状、相组成或表面修饰以及其他成分的掺杂对其性质和功能有显著影响。制备具有高比较面积和优良电子传输性能的纳米半导体材料，是保证电池获得较大电流密度和较高光电转化效率的前提32染料敏化剂 Tio2薄膜属于宽禁带半导体，只能吸收387mm以下的光，不能吸收太阳中占大部分的可见光，捕获太阳光的能力非常差。采用染料敏化剂方法制备的光电化学太阳能电池，不但可以克服半导体本身只吸收紫外光的缺点，使得电池对可见光谱的吸收大大增加，并且可通过改变染料的种类得到理想的光电化学太阳能电池。染料催化剂的作用就是吸收可见光，将电子注入半导体，并从电解质中接受电子，重新还原，整个过程不断循环。33电解质 Dscs电池中点解质的主要作用就是在光电极与对电极之间运载电荷，并使氧化钛染料还原而重生。目前用于Dscs的电解质有两大类：液态电解质和固态电解质。液态电解质常选用的氧化还原对为I3-/I-.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，其转换率为1104%。但它存在容易导致吸附在薄膜上的染料解吸，影响电池的稳定性密封工艺复杂；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败。而固态电解质就能解决这类问题。目前典型的固态电解质有：P型半导体材料、空穴传输有机分子材料及固体复合电解质。4、一种染料敏化tio2太阳能电池的手工制作方法1.制作二氧化钛膜 (1)先把二氧化钛粉末放入研钵中与粘合剂进行研磨 (2)接着用玻璃棒缓慢地在导电玻璃上进行涂膜(3)把二氧化钛膜放入酒精灯下烧结1015分钟，然后冷却2.利用天然染料为二氧化钛着色 如图所示，把新鲜的或冰冻的黑梅、山梅、石榴籽或红茶，加一汤匙的水并进行挤压，然后把二氧化钛膜放进去进行着色，大约需要5分钟，直到膜层变成深紫色，如果膜层两面着色的不均匀，可以再放进去浸泡5分钟，然后用乙醇冲洗，并用柔软的纸轻轻地擦干。 3.制作正电极 由染料着色的TiO2为电子流出的一极（即负极）。正电极可由导电玻璃的导电面（涂有导电的SnO2膜层）构成，利用一个简单的万用表就可以判断玻璃的那一面是可以导电的，利用手指也可以做出判断，导电面较为粗糙。如图所示，把非导电面标上+，然后用铅笔在导电面上均匀地涂上一层石墨。 4.加入电解质 利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。如图所示，在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。5.组装电池 把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。这样，你的太阳能电池就做成了。6.电池的测试 在室外太阳光下，检测你的太阳能电池是否可以产生电流。 5、纳米TiO2染料敏化太阳能电池的发展方向。DSSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势：寿命长：使用寿命可达15-20年；结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；制备电池耗能较少，能源回收周期短；生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/51/10，预计每蜂瓦的电池的成本在10元以内。生产过程中无毒无污染； 经过短短十几年时间，染料敏化太阳电池研究在染料、电极、电解质等各方面取得了很大进展。同时在高效率、稳定性、耐久性、等方面还有很大的发展空间。但真正使之走向产业化，服务于人类，还需要全世界各国科研工作者的共同努力。这一新型太阳电池有着比硅电池更为广泛的用途：如可用塑料或金属薄板使之轻量化，薄膜化；可使用各种色彩鲜艳的染料使之多彩化；另外，还可设计成各种形状的太阳能电池使之多样化。总之染料敏化纳米晶太阳能电池有着十广阔的产业化前景，是具有相当广泛应用前景的新型太阳电池。相信在不久的将来，染料敏化太阳电池将会走进我们的生活。 参考文献 1、 孔反太，戴松元，王孔嘉，染料敏化纳米薄膜太阳能电池中染料敏化剂（J）化学通报，2005,5:；338-3452、 白素贞，杨维春，DSSC太阳能（J）平顶山学院学报，26,21（5）：44-473、 林红，李鑫，王宁，等，染料敏化太阳能电池用电解质的研究现状（J）。世界科技研究与发展，2006,28（4）：4-94、 吴凤霞，殷海荣，杨勇，等，Cds敏化TiO2薄膜的制备及其光电转换性质的研究（J）佛山陶瓷，2001,251:10-235、 刘超，杨良准，杜立芬，等，不同金属离子掺杂TiO2薄膜的制备及光催化活性的研究工业催化（J）,2006,14(1):56-606、 叶宏伟，陈红征，汪茫，染料敏化太阳电池固体电解质研究进展（J）.太阳能学报，2002,23（5）：543-5497、 郭浩，丁丽，刘向阳，太阳能电池的研究现状及发展趋势（J）.许昌学院学报，2006,25（2）；38-418、 潘