能源化学-太阳能光电化学

高立彬,-太阳能电池（有机染料敏化DSSCs）,能源技术,一、我们所面临的能源状况,目前全世界使用的能源90%取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可再生能源。,从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：石油：1万亿桶天然气：120万亿立方米煤炭：1万亿吨,按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：,储量有限的化石燃料,据美国石油业协会估计，在2050年之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在2250到2500年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。一些工业发达国家的天然气也将在2020年被用完；而发展中国家在2060年也将会发生天然气短缺。,美国：风能首当其冲日本：太阳能铺就新能源路英国：风能核能并举丹麦：靠风“驱动”的国家芬兰：生物能源独辟蹊径冰岛：利用地热不再依赖石油挪威：借风发展“氢经济”,二、世界各国的新能源开发及利用情况,风能,1、风能的概念：风能是指空气的动能。,2、风能的形成：地球表面接受太阳辐射能的不同，使各地大气温度不同，造成大气密度和气压的差别从而形成风。所以风能是由太阳辐射能转化过来的。,3、风能的应用：风力发电：建风力发电站风帆助航：风帆的使用风力提水：风车的使用风力致热：风力机的使用,4、风能的开发价值：风能是地球上无所不在、永不枯竭的能源。地球上近地层风能总储量约为1.31012kW,但目前开发利用的只是极少的一部分。据估计，全世界每年燃烧所获得的能量不及风力1年内提供的能量的1/1000。我国风能储量估计为1.6109kW，在世界上排位第三，可开发利用的约为1/10。可以有效利用的风速范围为3m/s20m/s。风能与其他能源相比，具有明显的优势，蕴量大、分布广、可再生、无污染。风能作为新能源有着巨大的发展潜力，特别是对于沿海岛屿、边远地区、草原牧场以及远离电网的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。,5、风能的应用,风力发电,海上风能的应用,风能的应用,澳大利亚风力发电,风能的应用,水力能HYDRO-ENERGY,人类利用水力能已有数千年历史,欧洲的水车,中国的黄河水车,中国的漓江水车,能源技术,水能的利用,葛州坝水利枢纽装机容量为271万千瓦,三峡水电站总容量为1768万千瓦,当今世界仅次于三峡水电站的第二大的水电站-伊泰普水电站,位于巴拉那河流经巴西与巴拉圭两国边境的河段.总装机容量1260万千瓦，年发电量可达750亿度。,世界上讨伐水坝的声音越来越大，而人口膨胀和经济增长对对水电资源的期望也越来越高。,矛盾中的两个方面,反水坝运动在世界,美国是世界上最早建造大坝的国家，但美国也是世界上最早开始拆除水坝的国家。水坝就像一把双刃剑，人类在享受水坝带来利益的同时，也不得不承受它给自然和社会造成的负面影响。,到目前为止，美国已拆除了500多座水坝。,（一）核裂变能,使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。,魔鬼与天使核能,2、原子核能的利用（1）原子弹原子弹中的核燃料是高浓缩铀（浓度达93%）或钚。将弹壳内铀块（或钚块）分成各自低于临界质量的两部分，但总质量超过临界质量。原子弹爆炸时，首先引爆装在铀燃料外部的普通TNT炸药层，其冲击力会把两块铀235压聚在一起，超过临界质量的铀块立即会产生雪崩似的链式反应，即发生核爆炸。（2）核电站核电站是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置。核电站主要由两部分组成。一部分是反应装置及冷却装置，其核心为一个反应堆，是维持和控制核裂变反应的装置，在内部实现核能转换为热能。释放出的热能由一回路系统冷却剂带出，用以产生蒸汽。整个闭路系统被称为核蒸汽供应系统，也叫核岛，相当于常规火电厂的锅炉系统。另一部分由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发电的二回系统，与常规火电厂的汽轮机发电机系统基本相同，也称作常规岛。,原子弹爆炸,要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。,核能发电,1954年苏联建成了世界上第一座核电站奥布灵斯克核电站,核能发电,英国的原子能发电站,苏联的核能灯塔,2003年建成，地处浙江省海盐县。,中国秦山核电站,位于广东省深圳市龙岗区大鹏半岛大亚湾核电站,海洋能,（1）潮汐能,潮汐能是由于地球和月球、太阳相互作用产生的能量。,潮汐能成因示意图,潮汐能的应用,浙江温岭江厦潮汐试验电站全国第一、世界第三,法国朗斯潮汐电站,波浪能是一种在风的作用下产生的，并以位能和动能形式由短期波储存的机械能。是潮汐和风形成的海洋波浪，从而产生波浪能。波浪能与波高的平方和流动水域面积成正比。海中的波浪具有很大的动能和势能，据估算，如果把波浪能全部转变成电能（即波力发电），则每平方千米海面上每秒钟的发电量约为2.0105kW。海波涌向海岸的动能平均每平方千米含有上万千瓦的功率。我国沿海蕴藏着的波浪能超过1.7108kW。波浪能可用来发电、海水淡化和从海水中提取金属等等。,（2）波浪能,波浪发电站示意图,波浪能供电的灯光浮标,太阳照射在海洋表面，是海洋上部和底部形成温差，从而形成温差能。在南北纬30以内的大部分海面，表层与深层海水间的温差在20左右；而赤道附近海面，表层与深层海水间的温差达30左右。利用表层水（2530）和750m深处47海洋区，可进行发电。海洋温差发电的的一种方法是把表层温水引进真空锅炉，在低压下直接汽化生成蒸汽，蒸汽推动汽轮机发电。另一种方法是利用温水加热低沸点的工质（氨、氟里昂），使其变成蒸汽再去做功。汽由深层海水冷凝，从而构成热力循环连续发出电能。,（3）温差能,在河流入海口的淡水与盐水交界处，假如将盐水与淡水隔开，即使淡水的水平面与海平面高度相等，淡水也会由于渗透压而流向海水，具有一定动能，这就是盐差能。渗透压与盐差和温度成正比。盐差蕴藏的功率等于渗透压与渗流流量的乘积。通常在河水和海水交界处，渗透量为1m3/s时，则会有2500W左右的潜在功率，相当25个大气压所具有的能量。盐差能的利用主要是盐差发电。其方式有直接耦合式、外混式、内混式等几种。,（4）盐差能,海水在海中沿水平方向或垂直方向上大规模流动称为海流。海流没有明显的边界，但总是沿一定路线稳定运动，或成线，或成圈，还有的绕流，可以在接近海面，也可以海中某深度发生。海流的能量由热能和动能组成，可利用的首先是动能，动能的功率与流速的立方成正比。据估计，全世界海流能拥有量约50亿千瓦。不过海流能的利用处于试验阶段。,（5）海流能,地热能,1、地热能的概念,地热,地球内部具有的热能称为地热能，是地球本身蕴藏的能量。现代人们常说的温泉，就是人类的祖先在很久以前就开始利用的一种地热能。,应用形式：地下热水、地热蒸气。,应用范围：发电、洗浴、取暖、灌溉等,地热循环,2、地热能的具体利用范围,在工业上，地热能可用于加热、干燥、制冷、脱水加工、提取化学元素、海水淡化等方面。在农业生产上，地热能可用于温室育苗、栽培作物、养殖禽畜和鱼类等。例如，地处高纬度的冰岛不仅以地热温室种植蔬菜、水果、花卉和香蕉，近年来又栽培了咖啡、橡胶等热带经济作物。在浴用医疗方面，人们早就用地热矿泉水医治皮肤病和关节炎等，不少国家还设有专供沐浴医疗用的温泉。地热能因价廉、清洁而被称为是“21世纪的能源”，利用前景十分广阔。,（西藏阿里地区地热田）,3、地热能的应用,地热能的应用,冰岛地热,西藏羊八井地热电站，是我国最大的地热电站,地热供暖,地热能的应用,地热养殖,地热能的应用,地热务农,地热能的应用,生物质能,1、生物质能的概念生物质能是指通过植物的光合作用而将太阳辐射能量以一种生物质形式储存在生物质内部的能源，也称为“绿色能源”。包括地球上所有动物、植物、微生物以及由这些生物产生的排泄物和代谢物所具有的全部能量。,世界上生物质能种类繁多，包括农作物与农业有机残余物（秸秆、果核、玉米芯、蔗渣等）、木材与森林工业残余物（木屑、树枝、树叶、树根等）、动物排泄物、江河湖泊沉积物与水生植物（藻类等）、农副产品加工后的有机废物、油料作物（棉籽、马籽、油桐等）、城市生活与工业有些废弃物（垃圾和食品、屠宰、制酒、造纸工业的排泄物等）等。,2、生物质能的种类,沼气能的应用,沼气能源的应用,沼气池,沼气发电技术,沼气发电,沼气利用,可燃冰,新华社发布的一项消息说，一项针对南海北部的勘测显示，那里的可燃冰储量达到我国陆上石油总量的一半左右，这些可燃冰有望在2015年进行试开采。,资源丰富的南海,太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。,二、能源之母太阳能,61,太阳的物理性质,太阳是一个炽热的气团，平均密度为地球的1/4；其主要组成为气体氢（约80）和氦（约19）。它的直径为139万公里，约等于地球直径的109倍，体积则比地球大1.3106倍；太阳质量为2.2l027吨，约为地球质量的33万倍；太阳的表面温度约为6000K，而其中心温度高达1500万K。,巨大的能量辐射源！,62,太阳内部的反应,1MeV=1.610-13J,每秒太阳消耗百万吨氢进行氢氦的热核聚变反应，不断地释放出巨大的能量（41026瓦）；按目前的聚变反应速率估算，其氢的储量足够维持百亿年以上，因此可以说太阳能是用之不竭的。辐射到地球大气层的能量仅为总辐射能的22亿分之一，但仍高达1.71013KW。,地球上几乎所有的常规能源，归根结底来自于太阳。所有的生命运动都离不开太阳这一最主要的能源。,太阳内部,光球层黑子,色球层耀斑，日珥,日冕层太阳风,太阳大气结构及太阳活动示意图,光球层,黑子,象圆盘一样，明亮发光的太阳表面。,耀斑,日珥,色球层,在光球的外面，有一层呈玫瑰色的太阳大气。在日全食时用肉眼可以看到。,日冕层,太阳风,在色球层的外面还包围着一层很稀薄的、完全电离的气体层。在日全食时用肉眼可以看到或用日冕仪观察。,日冕的温度高达100万度，离太阳表面较远，受到的引力较小，它的高温使高能带电粒子向外运动。每秒达350千米以上，不断地飞逸到行星际空间，好像是从太阳吹出来的一股“风”，所以叫做“太阳风”。,太阳活动对地球有什么影响？,黑子-,耀斑-,太阳风-,影响电离层，影响短波通信影响地球磁场，产生磁暴现象。,影响地球气候,在高纬地区产生极光,极光,69,地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达172,500TW（1TW=106MW）。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。,地球外层的太阳辐射强度为一常数，其标准值为1353Wm2。当太阳辐射进入大气层时，约有1/3被反射回宇宙空间。穿过地球大气层时，又有约1/3的被大气层所吸收。最终只有大约1/3多一点的太阳光才能到达地球表面。,太阳辐射过程中的能量流向,70,太阳能的特点：,总辐照能巨大，单位面积的能量密度小。海平面上标准峰值强度1kw/m2，陆地上年均辐射强度仅为0.20kw/m2。即在陆地上几十毫瓦/cm2。地理位置和时间上的光照不稳定性。地球的公转，自转，以及地球形貌的差异，在不同季节和不同气象条件下地球上不同地区所接受到的太阳辐射强度都是不相同的。,71,最基本的应用热水器,在有些国家如塞浦路斯(90%)、以色列(65%),太阳能已成为热水生产的主要方式，带来良好的环境效应。,72,10-MW太阳能电厂inBarstow,California,大面积收集热，利用蒸气机发电。,太阳能光热电转换,1900定日镜；每个20ft20ft；中心塔高295ft；总效率可达25%.,太阳能电池发展历程,太阳能电池的理论基础：1839年：法国科学家埃德蒙贝克雷尔发现光伏效应1904年：爱因斯坦提出的光电效应,太阳能电池发展历程,1954年：美国贝尔实验室的恰宾、富勒和皮尔松制成第一个效率为6%的太阳能电池；1958年：经过改造，太阳能电池效率达到10%，并装备于美国的先锋1号人造卫星上；1960年：硅太阳能电池发电首次并入常规电网1973年：美国制定了政府级阳光发电计划；1980年：又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元；1994年：美国在财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了234；,太阳能电池发展历程,1997年：美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，美国计划到2015年安装10003000MW太阳电池。日本不甘落后，1997年补贴“屋顶光伏计划”的经费高达9200万美元，安装目标是7600Mw在1997-2007年的10年中，太阳能电池的产量从126MW快速发展到2500MW，年增长率达到41.3%。,太阳能电池发展历程,1954年，第一个太阳能电池,1958年，先锋1号,太阳辐射能的直接利用,与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：（1）它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净能源”。（2）到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。（3）成本低廉，可以再生。,1、对太阳能直接利用的形式,（1）对可见光的利用主要的利用途径是光电转换，即把太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用的主要方式之一。太阳能电池就属于这种转换方式。传统的太阳能电池利用太阳光中高达九成以上的可见光。,太阳能电池,太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在PN结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。,推进舱,轨道舱,附加舱,通讯舱,太阳能电池,太阳能电池,按照所用材料的不同：硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料制备的太阳能电池（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池（正在研发）,无机太阳能电池,半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。,工作原理,83,半导体p-n结与光伏电池,图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。,掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子,84,光伏效应,光激发：自由电子空穴对（h+，e）；内建电场：电荷分离；电荷积累:光生电压光电转换：光能转化为电能。,（PhotovoltaicEffect）,半导体太阳能电池,硅电池技术非常成熟：s-Si(24.7%),p-Si(19.8%),a-Si(13%)。大规模应用受到高纯材料的成本限制。,85,单晶硅电池：在p型硅片上采用扩散法生成一层很薄的n型层。为了减少光的反射损失，通常采用表面处理方法使整个表面结构化，然后再覆盖一层减反射膜。光能转换效率已达24.7%,接近理论值。材料成本高。多晶硅材料：在控制晶粒形状和尺寸，降低界面态密度和复合速度后，最高效率可达到19.8%。成本较低，容易大尺寸制造。非晶硅：新型的硅半导体材料，可在廉价的玻璃、塑料膜等衬底上直接沉积，可见光波长的吸收系数比晶体硅大近一个数量级，稳定效率达到13。具有大幅度降低成本的潜力。,硅太阳能电池,86,2020年5月30日9时31分,87,太阳能电池板应用(一),太阳能电池板应用(二),太阳能电池板应用(三),2.3-5KW家庭屋顶并网发电系统；,3.光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉,交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。,通讯/通信领域太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。,海洋气象监测标,光伏电站10KW-50MW独立光伏电站、风光（柴）互补电站、各种大型停车厂充电站等。,以太阳能为动力驱动的汽车,太阳能应用举例,太阳能应用举例,太阳能应用举例,太阳能应用举例,太阳能应用举例,染料敏化纳米晶体太阳能电池,目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10.,1991年，GrtzelM.于Nature上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池（DyeSensitizedSolarCells，简称DSSCs）的文章以较低的成本得到了7%的光电转化效率，为利用太阳能提供了一条新的途径.,1997年，该电池的光电转换效率达到了10%11%，短路电流达到18mA/cm2,开路电压达到720mV；,1998年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态Gratzel电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引起了全世界的关注。,材料成本较低、制备工艺简单转换效率随温度上升而提升不同于硅基太阳电池电池两面均可以吸收光有利于吸收散射光制备出半透明或不同颜色的电池装饰功能强质量轻以及可制成柔性器件便于携带较高的转换效率最高转换效率超出12%,Roll-toRoll技术,太阳电池盆景,通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶,太阳电池背包,染料敏化太阳电池的特点,染料敏化太阳能电池的结构,染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs)主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化剂、多孔纳米晶薄膜、对电极以及电解质等几部分。,叶绿体的结构,纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体的内囊体，起着支撑敏化剂染料分子、增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用。,敏化剂染料分子相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子的作用。,染料敏化太阳能电池和植物的光合作用,染料敏化太阳能电池的工作原理图,108,TiO2,ValenceBand,S+/S,ConductionBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,I3-,t2g,S+/S*,DyeSensitizedSolarCells,109,TiO2,ValenceBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,ConductionBand,I3-,S+/S,S+/S*,DyeSensitizedSolarCells,110,TiO2,ValenceBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,ConductionBand,I3-,S+/S,S+/S*,DyeSensitizedSolarCells,111,TiO2,ValenceBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,ConductionBand,I3-,S+/S,S+/S*,DyeSensitizedSolarCells,112,TiO2,ValenceBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,ConductionBand,I3-,S+/S,S+/S*,DyeSensitizedSolarCells,113,TiO2,ValenceBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,ConductionBand,I3-,S+/S,S+/S*,DyeSensitizedSolarCells,114,TiO2,ValenceBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,ConductionBand,S+/S,S+/S*,DyeSensitizedSolarCells,115,TiO2,ValenceBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,ConductionBand,I3-,S+/S*,S+/S,DyeSensitizedSolarCells,116,TiO2,ValenceBand,ConductionBand,FermiLevel,I3-/I-,Vmax,I3-,t2g,S+/S,S+/S*,DyeSensitizedSolarCells,光电阳极:Dye+hDye*(染料激发)Dye*Dye+-(TiO2)(产生光电流)Dye+1.5Dye+0.5I3-(染料还原)阳极发生的净反应为:1.5I+0.5I3-+-(TiO2)对电极:0.5I3-+-(Pt)1.5I(电解质还原)整个电池的反应结果为:-(Pt)+-(TiO2)(光电流),目前从事染料敏化太阳电池研究的国家主要包括：澳大利亚、瑞士、德国、日本、美国、中国、英国等无论从专利的申请数还是论文的发布数，日本最为活跃。中国在染料敏化太阳电池的基础研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近,样机,科纳卡技术在2009年2月于日本举行的“PVEXPO2009第二届国际太阳能电池展”上展出了利用卷对卷方式制造的多种有机薄膜太阳能电池模块。展示了利用柔性特点封装于皮包中，或作为电子纸的电源加以利用的试制品,Roll-toRoll制造技术,转换效率随温度上升而提升,染料敏化太阳电池的特点,染料敏化太阳电池作为装饰品做出的“PowerDressing”,装饰功能,染料敏化太阳电池的特点,染料敏化太阳电池制成的“太阳叶”,太阳叶结构,通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶,染料敏化太阳电池的特点,染料敏化太阳电池的特征,染料敏化太阳电池的特点,染料敏化太阳电池制成的手机充电器电源,质量轻、便于携带,染料敏化太阳电池的特点,染料敏化太阳电池在军事领域的应用（美国）,染料敏化太阳电池在汽车上的应用,染料敏化太阳电池制半透明汽车挡板,染料敏化太阳电池作为屋顶的应用,染料敏化太阳电池作为幕墙的应用,染料敏化太阳电池在野外帐篷的应用,134,染料敏化太阳能电池（Dye-SensitizedSolarCells,DSSC）,利用染料的光敏性，提高光吸收能力，降低对于半导体材料的要求；利用电极/溶液界面实现电荷分离，使电子空穴的复合受到限制；廉价的材料和制造成本为大规模应用提供可能。,报道的光电效率12，预期超过30%；,M.Grtzelet.al,Nature353,737740(1991);Nature414,338-344(2001),135,典型的DSSC体系,所有材料均已商品化！,136,DSSC基本反应,.染料/TiO2纳晶界面；.染料/电解质界面；.电解质/对电极界面。,三个主要界面:,DSSC电池的技术关键：如何构建在结构和功能上相互适配的三个界面?如何提高正向反应，抑制反向反应？,八个主要反应:,1，2，3，5，8为正向反应，对光电流有贡献；4，6，7为负反应，降低光电效率。,137,DSSC电极材料(TiO2.ZnO,SnO2,Nb2O5),纳米化20nm：粒径太大,吸附的染料分子少,不利于光电转换；粒径太小,晶界势垒太多阻碍载流子传输。多孔化：提高反应表面积。薄膜化10m：电极膜太薄,太阳光能吸收不充分,电极膜太厚,深层的染料敏化剂利用不上。掺杂或表面修饰：改变TiO2的能级结构，使之有利于电子转移反应，抑制电子空穴的复合过程。,综合比较，TiO2还是最佳选择。改进方法如下：,138,DSC的染料性质,在TiO2表面有强吸附性能,快速吸附平衡；与太阳光谱相匹配的强吸收带；染料的氧化态和激发态的稳定性较高,且具有尽可能高的可逆转换能力,即具有长期稳定的工作寿命；激发态寿命足够长,足够的电子空穴分离时间，保证较高的电荷传输效率；电化学能量匹配；,139,染料的功能设计,设计一组分子结构，采用量子化学计算能级与激发态寿命，然后光谱实验和电池应用性能表征。,140,DSSC现状,低成本、大规模生产的潜力；预期光电效率超过30%；60-65性能很稳定，超过70不够稳定；寻找合适的固态空穴传输材料来代替液态电解质,制备全固态的DSC电池；开发高效廉价的光敏染料；,DSSC正处于积极的发展过程中。目前的样品性能在暗光条件下甚至优于硅电池。,141,聚合物太阳能电池PolymericSolarCells(PSCs),所谓聚合物太阳能电池，就是采用具有半导体性质的共轭-键聚合物为光阳极材料。,能带间隙为1-4eV，可视为有机半导体；本征态时电导很小（0.1cm2/Vs），掺杂后电导急剧增加，可达金属导电性；光激可产生电子空穴对（激子）,-共轭聚合物：,142,PSCS的结构与原理,当光照时，聚合物产生激子（电子/空穴对）。这种电子/空穴对被束缚在链上，并不能在链间运动。采用电子受体（碳60）抓走电子，使载流子产生电荷分离。自由电子通过电子受体跃迁到负极；而空穴通过聚合物主链跃迁至光透电极。,143,PSCS的工作机理,在入射光激发下，施主聚合物链上产生一个激子。如果在邻近合适的空间位置上存在合适的受主分子，激子则分离为一个自由电子和一个自由空穴；自由电子跃迁至受主分子，空穴留在施主聚合物上并沿链段传输到ITO电极。PSC的最大电压Voc等于受主分子的LUMO与施主聚合物价带上缘之能级差。,P3HT/PCBMQY:70%w=2.8MDMO-PPV/PCBMQY:66%w=3.0,144,Jsc5-15mA/cm2Voc0.7-1.0VFF0.5-0.6A1.55%,PSC现有水平,厚度30nm的D/A聚合物层,145,DSSC近期研究方向之一,固态电解质是DSSC应用的首选。最现实的选择是凝胶型聚合物(Gelpolymer)I-离子导体。研究体系包括：1.碘的化合物:2.适配的聚合物骨架,理想情况：大阳离子固定在聚合物上形成合适的隧道结构，微腔中固定溶剂，碘离子在其中快速移动。,含有胺、吡咯等大阳离子的聚合物链上络合碘离子，并具有合适的“液相”通道。,146,一些廉价的有机染料，也表现出相当好的吸光能力和光电转换效率。如，四氢喹啉类染料（tetrahydroquinoline）,DSSC近期研究方向之一,147,主要生产商,USA,JAPAN,G24Innovation（UK）产品,2004年由中科院等离子体物理研究所建成的国内首个500瓦染料敏化纳米太阳电池示范电站转换效率：5%（数据来源：中科院等离子体物理研究所）,2010年美国光付研讨会展示的染料敏化太阳电池组件,产业化情况,1991年染料敏化太阳电池的转换效率实现飞跃式的提升1992年至1999年间，以德国光伏研究所(INAP)和澳大利亚STI公司为典型的产业化研究机构进行了产业化前期的探索性研究2001年澳大利亚STI公司建立了世界上首条染料敏化太阳电池中试线2003年澳大利亚Dyesol-STI公司完成200m2染料敏化太阳电池显示屋顶，集中体现了未来工业化的前景2004年底，中国科学院等离子体物理研究所建立了500W染料敏化太阳电池示范系统，并保持长期有效的运行，为今后实现产业化打下了基础2009年英国G24i在全球推出首批商品化染料敏化太阳电池组件，其生产线生产能力为30百万瓦,人