染料敏化太阳能电池.ppt

纳米半导体薄膜电极的制备及光电效率研究 杨彦秋 2011 3 30 太阳能电池概述 1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用 2 提高光电转换效率的方法 3 纳米TiO2与生物相结合技术 4 Contents 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源 也是清洁能源 不产生任何的环境污染 我们只需要利用其中很小的一部分就可以满足人类的需要 在太阳能的有效利用当中 太阳能光电利用是近些年来发展最快 最具活力的研究领域 是解决世界范围内的能源危机和环境污染的一条重要途径 太阳能电池的研究意义 中国太阳能电池产业 纳米晶化学太阳能电池 太阳能电池的发展历史 太阳能的发展 1954年Bell实验室研发出第一个单晶硅太阳能电池 效率为6 太阳能电池的比较 禁带宽度 光电转化效率 环保 材料便于工业化生产且性能稳定 制作太阳能电池材料的一般要求 半导体材料的禁带宽度不能太宽 具有较高的光电转化效率 材料本身对环境无污染 稳定性 太阳能电池概述 1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用 2 提高光电转换效率的方法 3 纳米TiO2与生物相结合技术 4 Content 一方面纳米TiO2具有良好的光电转换能力 故一般将其修饰到透明的导电玻璃上作为光阳极 在太阳能电池中的应用 另一方面纳米TiO2膜表面具有多孔的结构 可以通过吸附作用把染料固定在纳米TiO2表面 以进一步提高电池的光电转换效率 所以纳米TiO2在太阳能电池上受到人们的普遍关注 TiO2在太阳能电池中的应用 第二步 将凝胶转入高压釜内 按一定的升温速度加热 达到所需温度 250 恒温一段时间 卸压后洗涤 干燥即可得到纳米级的二氧化钛 纳米TiO2粒子的制备方法 溶胶凝胶 热蒸发 电子束 磁控溅射 在大于10 3Pa真空下用钨 钼电阻发热至2000 左右 使TiO2膜材料气化 获得足够分子自由程及能量而沉积在被镀工件上形成不大于1um厚度TiO2薄膜 加速电子束轰击阳极TiO2膜材料 使TiO2获得热能而真空气化沉积凝结于被镀工上 形成厚度不大于1um的薄膜 TiO2阴极靶材 受到高速阳离子气体的动能 动量撞击传输 溅射高能的TiO2分子或分子团 这种获能粒子在电场作用下飞奔并沉积在阳极基板上 纳米TiO2薄膜的制备方法 制备溶胶 溶胶通过涂覆或者提拉浸泡法在电极上附着 晾干 最后通过在马弗炉中煅烧或红外灯烘烤等方法进行热处理 改性研究 辐射到地球表面的太阳光中可见光43 紫外光占4 TiO2的禁带宽度为3 2eV 吸收位于紫外区 对可见光的吸收较弱 DSSC电池 把染料吸附在TiO2表面 借助染料对可见光的敏感效应 增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率 增加对太阳光的利用率 提高半导体的光电转换效率 纳米TiO2的改性研究 在绝对零度温度下 半导体的价带是满带 受到光电注入或热激发后 价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带 空带中存在电子后成为导带 价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位 称为空穴 导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 空穴对 光电转换原理 电子跃迁示意图 上述产生的电子和空穴均能自由移动 成为自由载流子它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流 DSSC原理示意图 DSSC是由透明导电玻璃 TiO2 多孔纳米膜 敏化染料 电解质溶液以及镀Pt对电极构成的 三明治 式结构电池 4 处于氧化态的染料分子 S 与电解质 I I3 溶液中的电子供体 I 发生氧化还原反应而回到基态 染料分子得以再生 5 在对电极附近 电解质溶液得到电子而还原 光电转换机理 1 太阳光 hv 照射到电池上 基态染料分子 S 吸收太阳光能量被激发 染料分子中的电子受激跃迁到激发态 S 2 激发态的电子快速注入到TiO2导带中 3 电子在TiO2膜中迅速的传输 在导电基片上富集 通过外电路流向对电极 TiO2薄膜电极的表征 染料敏化太阳能电池的性能分析 能量转换效率 的定义 Pin太阳光模拟器的入射折射功率密度 Voc开路电压 Jsc短路电流密度 FF填充因子由此计算出能量转化效率 将TiO2电极从染料溶液中取出 用乙醇冲洗 洗去吸附在表面的染料 薄膜电极作为光阳极 以镀铂电极为光阴极 用热封膜将TiO2电极和铂对电极封装 从侧面预留小孔中滴入电解液 把两片玻璃稍微错开 以便利用暴露在外面的部分作为电极的测试用 利用两个夹子把电池夹住 这样 你的太阳能电池就做成了 染料敏化太阳能电池的组装 太阳能电池概述 1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用 2 提高光电转换效率的方法 3 纳米TiO2与生物相结合技术 4 Content 思路1 思路2 思路3 思路4 电解质体系 液态电解质存在如封装困难 易泄露等问题 用固态或准固态电解质替代 对电极 以碳纳米颗粒作为对电极改进和完善多孔 高比表面积碳基等非金属类对电极材料的制备工艺 思路5 提高光电转换效率的方法 薄膜电极 改善TiO2薄膜制备方法孔的大小晶体类型 与窄半导体复合 过渡金属离子掺杂 表面沉积贵金属 染料光敏化剂 主要有金属配合物染料和纯有机染料 通过共敏化方式可以拓宽电极的吸收光谱 上转换发光层 用上转换发光材料将红外光转换为电池可以吸收利用可见光和近紫外光 太阳能电池概述 1 纳米及改性TiO2在太阳能电池中的应用 2 提高光电转换效率的方法 3 纳米TiO2与生物相结合技术 4 Content 将酶燃料电池与光伏电池结合 酶电极与光能转换电极结合 通过一个多步骤的催化过程 可以实现生物催化的光能 电能的转换 这种光 酶混合燃料电池为利用有机体实现光电转换提供了一个新的思路 工作原理 当光照射到阳极 电子从激发态的染料 S 转移到涂有纳米TiO2的导电FTO IT0玻璃电极 CB 上 失去电子的染料 S 从酶电极氧化还原对NAD P H NAD P 重新得到电子转变为S0 葡萄糖脱氢酶氧化葡萄糖同时将S 与NAD P 还原为NAD P H 这个电池还可以用乙醇作燃料 这种光 酶混合燃料电池的研究尚处于初级阶段 目前只局限在对阳极的研究 没有与之配对的光 酶阴极 所以这种生