燃料敏化太阳能电池——一种绿色电池的研究.doc

论文题目：燃料敏化太阳能电池一种绿色电池的研究摘 要：燃料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的化学太阳能电池，以其简单的制作工艺、低廉的成本、较高的光电转换效率、良好的应用前景而受关注。本文简要介绍了燃料敏化太阳能电池的结构和基本原理，根据太阳能电池中电解质的类型分为液体电解质、准固态电解质和固体电解质，分别讨论其优缺点，同时对未来燃料敏化太阳能电池的发展进行了展望。关键词：燃料敏化太阳能电池；电解质；绿色燃料Title：Dye Sensitized Solar CellsA Green BatteryAbstract: Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) is a new type of chemical solar cell, with its simple production process, low cost, high photoelectric conversion efficiency, a good prospect by concern. This paper introduced the fuel-sensitized solar cell structure and the basic principles of solar cells based on the type of electrolyte into the liquid electrolyte, quasi-solid electrolyte and solid electrolyte, respectively, discuss their advantages and disadvantages ,and at the same time in the future-sensitized solar cells fuel the development of the Prospect.Keywords: Dye Sensitized Solar Cells; Electrolyte; Green fuel第1章 燃料敏化太阳能电池随着世界人口的不断增长和人类文明的迅猛发展，能源的消耗也大大增加。迄今大部分能源都是煤和石油。无论人们怎样合理、充分利用，这些化石燃料总有一天会被消耗殆尽，而化石燃料的开采所造成的环境污染以及燃烧产生的二氧化碳导致的温室效应，极大的改变了人类和其它生物的生存环境，使我们的环境面临着前所未有的挑战1。因此，找到一种新的能源便显得尤为重要。在所有可替代能源中，太阳能丰富、安全、获取方便，因此对太阳能的开发利用特别是对太阳能转化为电能的研究引起了人们的广泛关注2。1.1 燃料敏化太阳能电池的概念燃料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC)，主要是指以燃料敏化多孔纳米结构TiO2薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池，另外也有用ZnO、SnO2等作为TiO2薄膜替代材料的光电化学电池。它是仿照植物叶绿素光合作用原理的一种太阳能电池3。1.2 燃料敏化太阳能电池的基本结构燃料敏化太阳能电池主要由：燃料敏化的二氧化钛或其它半导体氧化物纳米薄膜、电解质以及阴极组成的“三明治”式结构，如图1-1所示。图1-1 DSSC的结构吸附燃料的纳米多孔氧化物薄膜是太阳能电池的核心部分，对薄膜材料的研究主要集中于TiO2，也有用其它宽禁带半导体氧化物的，如ZnO、SnO2、Nb2O5、Al2O3等。目前广泛使用的液体电解质由I-/I3-电对、有机溶剂以及添加剂组成。镀铂导电玻璃片上的铂原子簇可以很好地起到催化剂的作用，作为阴极引起的电势损失较小，有利于提高DSSC的光电转换效率4。第2章 燃料敏化纳米薄膜太阳能电池的研究进展1991年，MGratzel研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极及过渡金属Ru及Os等有机化合物作燃料，研制出一种燃料敏化纳米晶太阳能电池，使得光电能量转换率提高到71%。1993年，Gratzel等人再次报道了光电能量转换率达10%的燃料敏化纳米太阳能电池，到1997年，其光电能量转换率达到了11%。1998年，Gratzel等人采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态燃料敏化纳米晶太阳能电池研制成功，其电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注5。我国目前在燃料敏化纳米晶太阳能电池的研究已经取得了不少阶段性的成果。大连理工大学孙世国、彭孝军等人在纯有机燃料、电极材料的修饰以及多联吡啶钌燃料的优化都取得了较好的结果；中科院化学研究所的肖绪瑞、林原等人在凝胶复合燃料和半固态电解质等方面取得了一定的结果；浙江大学、东南大学、大连理工大学和华侨大学对燃料敏化纳米晶太阳能电池研究也取得较好的成果，此外，2004年10月，中国科学院等离子体物理研究所承担的大面积燃料敏化纳米薄膜太阳电池研究项目取得了重大突破性进展，建成了500W规模的小型示范电站，光电转换效率达到5%。这些工作都为燃料敏化太阳能电池的最终产业化，知识产权国产化奠定了坚实的基础5。第3章 燃料敏化太阳能电池对电解质的研究3.1 离子液体聚合物电解质在燃料敏化太阳能电池中的应用离子液体在光敏电化学系统如燃料敏化光电池(DSSC)这一领域中显示出优良的性能。传统的光电池中使用的电解液易挥发，与水或氧气相互作用，影响了光电池的性能。将离子液体作为电解液使用在DSSC中，有利于改进以上不足，同时提高了该体系的热稳定和化学稳定性能6。3.2 燃料敏化太阳能电池用固态电解质研究3.2.1 准固态电解质准固态电解质是在液态电解质中添加无机纳米材料、有机小分子胶凝剂或有机高分子化合物，形成一个三维空间网络以固化液态电解质，最终形成一个宏观固态、微观液态的结构。目前常用的胶凝剂有SiO2、TiO2、炭黑、碳纳米管和碳纤维，含酰胺键和长脂肪链的有机小分子，环氧乙烷和环氯丙烷的共聚物等7。3.2.2 固态电解质一、无机p型半导体材料p型半导体载流子为空穴，很自然地适合作为固态电解质。作为固态电解质的p型半导体应满足以下条件：必须对可见光透明；必须能够在不破坏吸附在TiO2纳米颗粒表面的燃料的情况下沉积该半导体材料；能级必须与燃料的氧化还原电势相匹配；必须有高的空穴迁移率7。二、有机p型半导体材料与无机p型半导体材料相比，有机p型半导体材料(如有机空穴传输材料)具有来源丰富、制作简单、价格低廉等优势7。三、导电高聚物由于导电高聚物有着相对高的离子迁移率和较易固化等优点，因而逐渐成为近年来固态电解质的一个研究热点。作为固态电解质的导电高聚物，必须满足以下条件：聚合反应必须能在碘存在的情况下发生；聚合反应必须在燃料不发生解吸附的温度下发生；存在水等杂质的情况下，聚合反应也能够开始和完成；聚合反应不产生能降低电池性能的副产物；聚合反应无需引发剂，防止引发剂的分解产物降低电池的性能7。3.3 燃料敏化太阳能电池中凝胶电解质的研究进展3.3.1 有机小分子凝胶电解质向液态电解质中加入有机小分子凝胶剂形成凝胶网络结构，使电解质固化得到有机小分子凝胶电解质。有机小分子凝胶剂与高聚物相比相对分子质量低，主要是一些氨基酸类、酰胺类、联苯类等化合物以及糖类衍生物。有机小分子凝胶剂主要含有酰胺键和长脂肪链，通过酰胺键之间的氢键和长脂肪链之间的范德华力使液态电解质固化。有机小分子凝胶剂在电池内部完成凝胶化过程，能使电解质与TiO2多孔薄膜紧密接触，制备简单，具有良好的开发前景8。3.3.2 聚合物凝胶电解质聚合物凝胶电解质是发展潜力最大的电解质。聚合物凝胶剂在液态电解质中由化学键交联形成凝胶三维网络结构达到固化的目的，结构稳定，机械性能较好，不受温度和时间的影响。目前，各国科学家将目光聚焦在聚合物凝胶电解质的研究与开发上8。3.3.3 无机纳米粒子凝胶电解质在不降低燃料敏化太阳能电池光电性能的前提下，人们采用向电解质中加入无机纳米粒子以提高体系的导电性和机械性能。无机纳米粒子在液态电解质中易于分散，在凝胶体系中形成更多的孔穴，进一步提高凝胶电解质的电导率。近年来，世界各国的科学家们对无机纳米粒子凝胶电解质做了大量研究8。综上所述，凝胶电解质在一定程度上解决了液态电解质和固态电解质的不足，并取得很大的研究进展。虽然用凝胶电解质制得的DSSC短路电流、开路电压、填充因子、光电转换效率不及液态电解质，但远大于固态电解质。由于凝胶电解质具有三维空间网络结构，与液态电解质相比机械性能较好，电池稳定性提高，使用寿命延长。与固态电解质相比对纳米TiO2多孔薄膜具有良好的浸润性，电解质的电导率远远大于固态电解质。并且凝胶电解质还可通过多种不同制作方法使其改性，以提高电导率和电池的光电转化效率8。第4章 燃料敏化太阳能电池对电极的研究4.1 金属对电极铂对电极的制备方法主要有磁控溅射、电沉积和热分解等。电化学法制备的对电极载铂量偏高，与燃料敏化太阳能电池价格低廉的特点不相适应。热分解法则是一种简便、快速制备高效铂修饰对电极的方法，控制适宜的铂离子浓度与合适的膜厚度，寻找合适的涂膜液配方，以此减少有机物的残留，制备具有多孔网状结构、厚度均匀、高比面积的铂修饰对电极，是今后的一个研究方向。燃料敏化太阳能电池之所以吸引人们的目光，主要是由于它较低的成本和较高的转化率，铂等贵金属催化剂的使用无疑提高了成本，因此人们尝试采用其它廉价材料等来替代铂作电池的对电极材料9。4.2 非金属对电极碳材料的催化活性点位于晶棱上。碳黑结晶度较低，具有很多晶棱，所以它的催化活性要比高定向性的的碳材料高。用碳材料作为对电极催化剂时，碳层的厚度非常重要，因为它影响着对电极的催化作用和阻抗的大小。碳对电极的催化反应速率比铂对电极的慢，这是因为碳电极表面I-/I3-的氧化还原反应的速度非常大。所有类型的碳对电极均存在这种情况，因此，碳对电极DSSC的光电转换效率比铂对电极的小9。4.3 聚合物对电极1988年合成了一种导电聚合物聚(3，4二氧乙基唾吩)(PEDOT)。它具有高的电导率、良好的稳定性，并且透明，对I3-具有催化活性。用PEDOT制备的对电极成本很低，制备工艺简单，符合未来大尺寸对电极的生产要求。研究表明，使用有机液体、离子液体和离子凝胶等不同的电解液时，PEDOT对电极的性能明显改变。通过优化PEDOT的结构，如孔隙率、厚度、掺杂离子等，搭配合适的电解液，可以进一步提高聚合物对电极的光电性能，降低生产成本9。4.4 氧化铜对电极CuO是一种窄禁带P型半导体材料，由于具有较好的光电、光化学和催化性能，价格低廉，受到DSSC研究人员的关注9。第5章 有机燃料敏化纳米晶太阳能电池纳米晶半导体电极对于整个太阳能电池至关重要，纳米晶半导体膜的形态、直径、表面状态和多孔性等直接影响电子的传输和电解质在电池中的扩散。纳米晶半导体电极中，最常用、最理想的是纳米晶TiO2。但纳米晶TiO2电极在电子传输方面存在一定缺陷，由于纳米晶半导体内部不存在内建电场，且纳米粒子太小，在粒子与电解质溶液的界面不能产生电荷传输层。没有电场的驱动力，电子与周围的电子受体的复合难以避免，因而造成电流损失10。综上所述，为了制备高效的DSSC，需要纳米尺寸、比表面积大、空穴氧化能力强、高度结晶的TiO2电极，且要与导电玻璃基底有良好的电子接触，以便燃料可以有效吸附，电子能够迅速转移。然而，由于纳米材料尺寸的缩小，太阳光的利用率下降，缺陷增多，激发态燃料和电子复合的几率上升，导致能量损失增大。为克服这些缺点，可以采取以下方法：使用分散均匀、高比表面、高结晶度、高电子传输能力的半导体纳米管、杆阵列膜或自组装阵列膜来代替平整膜10。第6章 结 语燃料敏化太阳能电池相对其它类型太阳能电池具有巨大的价格优势，一旦燃料敏化太阳能电池的光电转化效率进一步提高，电解质问题得以解决，燃料敏化太阳能电池将逐步产业化，从而为人们提供更大的便利11。拓展某一种燃料的光响应谱线，即本着使燃料的最高占据分子轨道(HOMO)和最低非占据轨道(LUMO)之间的能隙变窄的原则来研究，但这样往往又会造成能级匹配的损失。今后可以利用几种燃料的互补作用达到共同敏化的效果，制备各方面性能优越的复合燃料；鉴于液态电解质的局限，固态电解质将是今后的研究重点11。参考文献1 李国,胡志强,高岩等. 燃料敏化太阳能电池对电极的研究进展J. 材料导报, 2007,(12)2 王桂强,傅忠君. 燃料敏化纳晶TiO_2太阳能电池J. 燃料与染色, 2005,(5)3 李雪阳,陈司汉,薛卫东. 燃料敏化太阳能电池神奇的人造树叶J. 化学教育, 2007,(5)4 杨宏训,黄妙良,韩鹏等. 燃料敏化太阳能电池研究进展J. 材料导报, 2006,(9)5 马莹,李占双,王君等. 燃料敏化纳米晶太阳能电池J. 化学工程师, 2006,(8)6 卢敏,张玉清,芦雷鸣. 离子液体聚