染料敏化太阳电池

1、染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 研究研究 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 科学研究一般方法科学研究一般方法 太阳能光伏转换介绍太阳能光伏转换介绍 染料敏化太阳电池的原理染料敏化太阳电池的原理 染料设计染料设计 器件制备器件制备 性能指标性能指标 研究方法与技术研究方法与技术 目录目录 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 研究生阶段是研究生阶段是 从学习知识向综合使用知识的转变，从接从学习知识向综合使用知识的转变，从接 受训练向实现计划、完善自己、表达自己受训练向实现计划、完善自己、表达自己 并交流提高的转变，从做作业解答问题、并交流提高的转变，从做作业解答问

2、题、 按实验讲义步骤做实验向选择问题、分析按实验讲义步骤做实验向选择问题、分析 问题、提出解决计划、进行实践验证、并问题、提出解决计划、进行实践验证、并 总结表达自己科学活动过程和结果的转变，总结表达自己科学活动过程和结果的转变， 达到能规划自己的研究内容步骤、组织安达到能规划自己的研究内容步骤、组织安 排自己的时间、完成工作并分析评价结果，排自己的时间、完成工作并分析评价结果， 进而优化调整验证进而优化调整验证, ,获得有价值的科学结获得有价值的科学结 论或建立实现有效的方法和工具。论或建立实现有效的方法和工具。 评价，远见，设计，执行，交流评价，远见，设计，执行，交流 研究生研究生 染料敏

3、化太阳电池染料敏化太阳电池 自然科学的研究对象和内容自然科学的研究对象和内容 生命科学：基本特征：繁衍，新陈代谢生命科学：基本特征：繁衍，新陈代谢 物质科学：基本特征：物质，能量，时间，空间物质科学：基本特征：物质，能量，时间，空间 物理：物质的物理变物理：物质的物理变 化及其相互作用化及其相互作用 化学：物质的化学变化学：物质的化学变 化及其相互作用化及其相互作用 力与运动，动能，势力与运动，动能，势 能，光能，光, , 声，磁声，磁, , 电电及转化及转化 键，离子、共价，相互作用，键，离子、共价，相互作用， 电子共享、得失，极化，结构、电子共享、得失，极化，结构、 性质、行为性质、行为(

4、 (热力学动力学热力学动力学) ) 知识知识 应用应用 ？ 结构？结构？ 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 自然科学的研究一般方法和步骤 规划：收集资料规划：收集资料, ,规划涉及的研究目标、需解决的规划涉及的研究目标、需解决的 问题、相关的知识和技术、人力物力和产出问题、相关的知识和技术、人力物力和产出 罗列可能的探索方向和内容，涉及的实验技术，依因罗列可能的探索方向和内容，涉及的实验技术，依因 果链、证据链设计步骤顺序、反馈调整、时间安排果链、证据链设计步骤顺序、反馈调整、时间安排 具体执行和实现：依计划设计系列实具体执行和实现：依计划设计系列实 验、做实验，收集数据，综合分析验、做实验，

5、收集数据，综合分析: : 各物理量的关系、条件、序列、对各物理量的关系、条件、序列、对 比、验证，估计和推测轻重主次、比、验证，估计和推测轻重主次、 可行，完善因果链、证据链可行，完善因果链、证据链 总结、调整、反馈总结、调整、反馈 系列实验设计：实验条件，系列实验设计：实验条件， 实验目的，注意事项，实验目的，注意事项， 数据处理，可能意外的数据处理，可能意外的 估计、对策、释因，实估计、对策、释因，实 验条件的优化调整验证验条件的优化调整验证 交流表达：文字、图表、语言，交流表达：文字、图表、语言， 因果、因果、证据、证据、推理、推理、释疑、释疑、不足不足 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池

6、 表达的核心：条理清晰，思路顺畅表达的核心：条理清晰，思路顺畅 基础概念、理论、格式、图表清晰 实验目的和步骤，研究对象状态控制， 实验条件因变量，实验结果响应变量 数据分析计算，推导，关联，比较 结果表达思维顺序，系列因果证据链， 比较，推理，结论，问题，可能的因果 后续计划完善、调整、应对问题 评价结论，不足和困难 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 结构结构 物质物质( (材料材料),),能量能量 化学及其衍生化学及其衍生 物理及其衍生物理及其衍生 生命相关生命相关 支持工具与技术：支持工具与技术： 数学、语言、电子、数学、语言、电子、 机械等机械等 运运 动动 变变 化化 代谢代谢 繁衍

7、繁衍 自然科学自然科学 动态演化动态演化 相互关系相互关系 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 化学基础化学基础 原子间的电子得失：氧化还原、化合、分解原子间的电子得失：氧化还原、化合、分解 原子的电子共享：化合、复分解原子的电子共享：化合、复分解 原子、分子相对位置重排：结构、晶体原子、分子相对位置重排：结构、晶体 伴随变化：光、热、电、结晶、相变等伴随变化：光、热、电、结晶、相变等 材料：微介宏观性质材料：微介宏观性质, ,功能功能, ,界面界面, ,相互作用相互作用 科学研究与应用科学研究与应用 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 年增长率40%左右 934

8、0 7900 4000 2500 1759 1195 744.3 561 世界太阳电池发货量（世界太阳电池发货量（MWp） 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 理论极限 光源能量：黑体辐射光源能量：黑体辐射, ,太阳太阳, ,地面阳光能量地面阳光能量 标准标准AM1.5G =1000 W mAM1.5G =1000 W m-2 -2(Air Mass 1.5 (Air Mass 1.5 Global, 25, 100mW cmGlobal, 25, 100mW cm-2 -2 ) ) 最大积分电流密度最大积分电流密度73 mA cm73 mA cm-2 -2, , 大于大于1.1eV1.1eV

9、全吸收时全吸收时, ,最大电流密度最大电流密度43 mA cm43 mA cm-2 -2 垂直辐照，大气层外为垂直辐照，大气层外为AM0，地面为，地面为AM1 其它其它 AM =1/cos 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 染料染料 现状现状 材料对光的吸收不是唯一重要的材料对光的吸收不是唯一重要的 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 2009器件水平，器件水平，2013实验室实验室DSC达达12% 现状现状 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 2013 太阳电池最好水平太阳电池最好水平 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 半导体太阳电池思路：异质结、隧道结可控制备 Eg=2.2 eV,=0.56n

10、m (a-SiO, a-SiC) 上转换换上转换换 Eg=1.1 eV,=1.13nm (poly,mc-Si) Eg=1.4 eV,=0.89nm (a-SiGe) Eg=1.7 eV, =0.73nm (a-Si) Eg=0.8 eV,=1.55nm uc-SiGe 硅基半导体薄膜叠层硅基半导体薄膜叠层 其它半导体复合薄膜：其它半导体复合薄膜：镓、砷、磷、铝、铜、铟、硒、碲、镉、硒镓、砷、磷、铝、铜、铟、硒、碲、镉、硒 、锑、氮、硫、锑、氮、硫 核心：精确控制晶体结构、能带、界面核心：精确控制晶体结构、能带、界面(晶格匹配，带隙光匹配，界面隧穿结晶格匹配，带隙光匹配，界面隧穿结) 半导体性

11、质：半导体性质：晶体结构、化学键、能带结构、电导、载流子类型晶体结构、化学键、能带结构、电导、载流子类型, 光电转换测量光电转换测量 半导体异质结半导体异质结: 2000年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 吸收向红外波段扩展 激子 思路思路 增强消光系数 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 dLHEqI csc 2 1 0 J redoxF,Fn EEV oc 总 总 = (Jsc Voc FF) / Pin 能级工程能级工程 材料：吸收更广更多的光材料：吸收更广更多的光 转移更多的能量转移更多的能量 界面结构工程界面结构工程 正反向的竞争正反向的竞争 更少的损失更少

12、的损失 研究思路研究思路 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 染料敏化太阳电池结构染料敏化太阳电池结构 FTOTiO2dyeElectrolytePtFTO 组成组成: :负极染料敏化负极染料敏化 的多孔纳米晶氧化物的多孔纳米晶氧化物 半导体膜电极，常用半导体膜电极，常用 的是纳米晶的是纳米晶TiOTiO2 2 、 ZnOZnO、SnOSnO2 2 、NbNb2 2O O5 5和和 SrTiOSrTiO3 3等。微米级厚等。微米级厚 度度 正极是沉积铂的导电正极是沉积铂的导电 玻璃。玻璃。 有机电解质：氧化还有机电解质：氧化还 原电对常用原电对常用I I- -/I/I3- 3- 染料敏化太阳电池

13、染料敏化太阳电池 工作原理 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 (1)(1)光吸收捕获光吸收捕获(2)(2)激子解离激子解离(3)(3)染料再生染料再生(4)(4)半导体中电子的半导体中电子的 输运输运(5)(5)电解质再生电解质再生 (6)(6)非注入失活非注入失活(7)(7)半导体中电子与氧化态染料复合半导体中电子与氧化态染料复合(8)(8)半导半导 体中电子与电解质中氧化物的复合体中电子与电解质中氧化物的复合 1 1、2 2、3 3、4 4、6 6、7 7、8 8都与染料、都与染料、TiO2TiO2的关系有关的关系有关 5 5在对电极界面发生，在对电极界面发生，3 3、8 8受受O/RO/

14、R在电解质中的传输影响在电解质中的传输影响 3 3、5 5、8 8受电解质成分影响受电解质成分影响 DSCDSC工作原理工作原理 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 10-1610-1310-1010-710-410-1 t/s 2 2 7 7 3 34 4 8 86 6 5 5 1 1 光吸收光吸收 解离、电子注入解离、电子注入 fsps fsps 界面处界面处 染料再生染料再生 ns10usns10us 电荷输运收集电荷输运收集 ms ?ms ?？ 5. 5. 还原性淬灭还原性淬灭 psnspsns 6. 6. 激子失活激子失活 10ps10ns 10ps10ns 10nm10nm 7. G

15、eminate charge recombination7. Geminate charge recombination 8. 8. 界面电荷复合界面电荷复合 ms-sms-s 电子跃迁时间尺度是电子跃迁时间尺度是1010-15 -1510 10-16 -16s s 振转动时间尺度弛豫在振转动时间尺度弛豫在1010-11 -11 1010-14 -14s s 膜厚膜厚100nm10um,100nm10um,膜中过程，希望激子寿命长些，以便膜中过程，希望激子寿命长些，以便 能扩散到界面处更好的电荷解离、注入电子被收集能扩散到界面处更好的电荷解离、注入电子被收集 慢些慢些 快些快些 A-A- 刚性

16、刚性 D-e-D-e-A- A- TiO2TiO2 D D及辅基，帮助吸附取向，及辅基，帮助吸附取向， 阻止复合阻止复合 O/R,O/R,再生快，复合慢再生快，复合慢 影响影响DSCsDSCs工作效率的关键因素工作效率的关键因素 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 相对能级图，热力学损失相对能级图，热力学损失(动力学动力学 驱动力驱动力)动力学调整的余地动力学调整的余地 发电是不断取出能量的过程，发电是不断取出能量的过程， 固定个别状态是为了研究固定个别状态是为了研究 能级分析能级分析 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 自由能图 态密度分布图 多种分析方式、 分析角度、分 析用途 态分析态分析

17、染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 染料染料: 吸收光，激子解离，电子送电极，再生 (1)化学结构、电子结构、几何结构 (2)吸附过程 (3)光电转换中的联合动力学(结构、化学) 研究技术研究技术 (1)元素分析，光谱，界面电化学，电镜，XPS (2)I/E, IMPS, IMVS, 瞬态激光, 扰动(E , I, hr) (3)量化计算，模型分析，数据分析 电池器件制备电池器件制备： 材料：TiO2, 电解质，I/I3 ，添加剂 (1)竞争共吸附 (2)界面微结构 (3)离子迁移 (4) 界面电化学 电池性能电池性能 (1)短路电路，开路电压，转换效率 (2)半导体电极态密度分布、费米能级，载

18、 流子浓度、分布、寿命、扩散与输运， (3)联合反应动力学机理和关键步骤 总体目标：总体目标： 大电流大电流 高电压高电压 高转换效率高转换效率 长寿命长寿命 A D C B 核心：核心： 复杂界面微区域复杂界面微区域 的时间、空间、的时间、空间、 物质结构、能量物质结构、能量 (级级)、载流子输、载流子输 运、变化速度、运、变化速度、 平衡，相互作用平衡，相互作用 量的因素量的因素 驱动力因素驱动力因素 总体概况总体概况 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 染料设计染料设计 基本特征：富电子给体基本特征：富电子给体D、贫电子受体、贫电子受体A、 共轭单元共轭单元 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电

19、池 钌金属配合物，钌金属配合物， 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 ZnZn卟啉类，酞菁类卟啉类，酞菁类 YD2-o-C8 N NN N N YD2 Zn C6H13 C6H13 COOH N NN N NZn OC8H17C8H17O OC8H17C8H17O C6H13 C6H13 COOH 香豆素类，香豆素类， 噻吩噻吩 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 吲哚类吲哚类 咔唑类咔唑类 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 三芳胺类三芳胺类 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 C系列，China,ciac, 钌配合物，三芳胺，噻吩 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 C系列，China,ciac 染

20、料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 C系列，China,ciac 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 染料合成 染料合成染料合成: 目标目标 (1) 结构结构刚性，光谱扩展，减缓刚性，光谱扩展，减缓 激子淬灭失活，延迟激子寿命，促进界面电荷分激子淬灭失活，延迟激子寿命，促进界面电荷分 离，离，HOMO、LUMO合适；合适；(2) A吸吸D推帮助电荷推帮助电荷 分离，长程电子传递途径，易于再生；分离，长程电子传递途径，易于再生；(3) D- 的的 侧链侧链辅助基团，促进吸附取向，阻止复合，易于辅助基团，促进吸附取向，阻止复合，易于 制备。制备。 多种需求的平衡多种需求的平衡 合成策略合成策略: (1)

21、 结构的选择，光谱，光电；结构的选择，光谱，光电；(2) D 的选择的选择 ，三苯胺、芴等；，三苯胺、芴等；(3) 辅助基团辅助基团: 长度、长度、 柔性、末端柔性、末端(-CN、-OH、糖、环己烷衍生、糖、环己烷衍生、-O-)、 枝化、其他。提高溶解度，便于分离。枝化、其他。提高溶解度，便于分离。 其他：再生的促进、中介中继、其他：再生的促进、中介中继、hop位点位点? 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 制备过程制备过程 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 TiO2基底 TiOTiO2 2基底基底: : 纳米晶纳米晶( (凸凹凸凹) ) 。柱。柱( (凸凸) )、管、管( (凹凹) )、 锲锲

22、( (凹凹) )、三维、三维( (凹凹) ) ，凹，凹( (倒冠状倒冠状) ) 接界处理，载流子输运，复合阻止接界处理，载流子输运，复合阻止 染料染料- -基底基底: : 牢固的吸附取向牢固的吸附取向 形态结构、电子结构形态结构、电子结构 能级、结构、界面匹配能级、结构、界面匹配 制备可控，电池工艺可控制备可控，电池工艺可控 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 电解质、氧化还原对、添加剂 支持电解质、添加剂支持电解质、添加剂: : 对吸附、溶解、对吸附、溶解、 稳定不挥发、无毒、电性质稳定不挥发、无毒、电性质 氧化还原对氧化还原对: : 可逆性、利于染料再生、可逆性、利于染料再生、 不利于复合、

23、利于对电极复原、电解质不利于复合、利于对电极复原、电解质 中扩散快中扩散快 ( (作用位点作用位点?)?) 离子形态、极性、变形重组性能、和染离子形态、极性、变形重组性能、和染 料的相互作用、和基底的相互作用料的相互作用、和基底的相互作用 再生、复合、复原机理恰当，热力学和再生、复合、复原机理恰当，热力学和 动力学恰当动力学恰当 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 电池制备电池制备 电池制备电池制备：优化目标：制造最佳的能级匹配的界面 光电转换微区域结构 (1)光收集最佳化：大颗粒散射 (2)纳米晶制备 (3)工艺：FTO处理，TiO2担载，机械处理，热处理， 吸附过程(温度时间优化) (4)新

24、型电解质 (5)添加剂: 共吸附，离子导电率 主要目的： 光电转换微区域的能级匹配、载流子寿命与输 运 (1) 结构匹配、吸附与结合、阻止复合 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 关键问题 研究内容与方向：研究内容与方向： 材料与染料：染料合成、制备，材料与染料：染料合成、制备，IPCE,IPCE,谱范围扩展谱范围扩展, ,多多 染料互补混合；染料互补混合； TiOTiO2 2改性基底改性基底( (现场制备、处理现场制备、处理, ,管、管、 丝、锲、核壳结构丝、锲、核壳结构, ,掺杂碳、石墨烯、各种纳米粒子掺杂碳、石墨烯、各种纳米粒子 ZnS/AuZnS/Au等等),),巢状结构巢状结构 (2)

25、(2)电池工艺：晶面、孔率、比表面、粒径；基底处电池工艺：晶面、孔率、比表面、粒径；基底处 理理, ,清洗，清洗，TiOTiO2 2层，吸附、共吸附层，吸附、共吸附, ,热处理热处理, ,封装封装 电解质与氧化还原对：液体、固态电解质与氧化还原对：液体、固态, ,平衡电位平衡电位, ,空间构空间构 型、结构重组型、结构重组. . (4)(4)注入和再生的研究：影响因素、影响方式、评价方式注入和再生的研究：影响因素、影响方式、评价方式, , 激子寿命激子寿命, ,改进方式改进方式 (5)(5)复合与传输复合与传输: : 动力学、热力学、扩散动力学、热力学、扩散, ,表面陷阱态表面陷阱态 (6)(

26、6)染料、染料、TiO2TiO2组装体，氧化还原对组装体，氧化还原对, ,电解质电解质, ,添加剂添加剂, ,吸附吸附 取向取向, ,各因素间的相关性，对再生、复合的影响各因素间的相关性，对再生、复合的影响 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 关键问题 核心：电子浓度分布核心：电子浓度分布, ,表面陷阱态状态；表面陷阱态状态； 受受TiOTiO2 2如何和染料相互作用影响如何和染料相互作用影响, ,影影 响导带底、传输、复合；复合过程响导带底、传输、复合；复合过程, , 氧化还原对和氧化还原对和TiOTiO2 2电子交换机制电子交换机制 染料：吸收扩展、激子寿命、电荷分离、染料：吸收扩展、激子寿

27、命、电荷分离、 再生再生 TiO2TiO2：电荷收集、传输、复合：电荷收集、传输、复合 电解质氧化还原对：稳定、阻止复合、电解质氧化还原对：稳定、阻止复合、 促进再生促进再生 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 纳米晶及其界面反应 不是体相，不是粒子，不完全服从统计 一个大约数十万个原子构成一个大约数十万个原子构成 表面原子大约数万个表面原子大约数万个 纳米晶载流子的存在寿命和输运方式，接界处的纳米晶载流子的存在寿命和输运方式，接界处的 载流子转移载流子转移 和染料的相互作用和染料的相互作用 和氧化还原物质的作用和氧化还原物质的作用 和添加剂、电解质的作用和添加剂、电解质的作用 各过程的时间级别

28、各过程的时间级别 研究技术方法、数据分析、模型研究技术方法、数据分析、模型 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 半导体，染料，能级分布，光， 半导体中载流子的输运方式空间电荷半导体中载流子的输运方式空间电荷 区，寿命、区，寿命、 光与物质的作用半导体光电效应光与物质的作用半导体光电效应 光与物质的作用化学物质光谱、能光与物质的作用化学物质光谱、能 级、结构，激子解离，电子能级、振转级、结构，激子解离，电子能级、振转 能级，能级兼并能级，能级兼并 能量转换与输运能量转换与输运 界面相互作用纳米晶表面染料，纳界面相互作用纳米晶表面染料，纳 米晶表面米晶表面I/I3, 纳米晶表面的电化学反纳米晶表面的

29、电化学反 应应 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 I/EI/E曲线基本分析：比较分析无染料，有染料，曲线基本分析：比较分析无染料，有染料， 有光，无光，多种染料，特征？有光，无光，多种染料，特征？ 光谱分析，瞬态光谱分析，相互作用分析光谱分析，瞬态光谱分析，相互作用分析 各状态各状态( (每个每个I IE E数据对数据对) )下，下， E , E , I, I, hr hr 扰动和实验研究和数据分析扰动和实验研究和数据分析 本质：各状态本质：各状态( (每个每个I IE Ehr)hr)下，各过程的关下，各过程的关 联联( (稳态和控制步骤稳态和控制步骤) )的综合表现的综合表现 目标：分析现象

30、和本质间关系，提出优化途径目标：分析现象和本质间关系，提出优化途径 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 基本过程： 产生激子产生激子(光子吸收光子吸收)染料染料 产生电子产生电子(激子解离激子解离)染料染料纳米晶纳米晶 输运输运收集纳米晶收集纳米晶FTO 再生染料再生染料 | I/I3 复合复合纳米晶纳米晶 | 染料染料 D+, 纳米晶纳米晶 | I/I3 纳米、微米尺度界面，吸收光、电荷分离、纳米、微米尺度界面，吸收光、电荷分离、 输运收集，再生、复合输运收集，再生、复合 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 稳态光稳态光 x o exG )( x o etxG )(1 )( R(x) G(x)

31、T(x) T C O N N HOOC Ru N N COOH COOTBA N C S N C S COOTBA G(x) T C O N N HOOC Ru N N COOH COOTBA N C S N C S COOTBA 短路条件：IMPS响应开路条件：IMVS 响应 2 2 x xn Dn 复合复合R(x) 产生产生G(x)传输传输T(x) 0 nxnx o et )(1 dn dt 收集收集 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 研究技术和电池性能研究技术和电池性能 电池性能宏观电池性能宏观(表观表观)表征物理量及关系表征物理量及关系 各研究测量技术的步骤条件，获取的信息各研究测量技

32、术的步骤条件，获取的信息 光电转换微区域光电转换的机理和研究技术光电转换微区域光电转换的机理和研究技术(实验实验 条件、状态、稳态、暂态条件、状态、稳态、暂态) 量化计算量化计算(能级、相互作用、光电转换过程的动态能级、相互作用、光电转换过程的动态 模拟模拟: 能态、分子结构姿态、时间、空间能态、分子结构姿态、时间、空间)，模型分，模型分 析析(机理分析，各种条件下的特征参数机理分析，各种条件下的特征参数)，微观、介，微观、介 观、宏观多尺度观、宏观多尺度(光、电、时空结构、能量光、电、时空结构、能量) 数据的分析、综合、关联数据的分析、综合、关联 因果链、证据链建立因果链、证据链建立 系统的

33、表征技术方法体系系统的表征技术方法体系 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 电解池模型电解池模型 电化学：电化学： 研究电研究电 压电流压电流 与物质与物质 变化的变化的 关系关系 hv DSCDSC简化模型简化模型 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 V r I 恒电位仪恒电位仪 ：研究、测：研究、测 量、使用量、使用 hv 基本表征： JV曲线 Rw Cw RE WR CE h v 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 IV曲线的意义曲线的意义 开路电压开路电压：电流为：电流为0 时的电压时的电压 决定于光照条件下半决定于光照条件下半 导体中准费米能导体中准费米能 级与电解质氧化级与电解质氧化 还

34、原电势之差还原电势之差 电解质氧化还原电位电解质氧化还原电位 由能斯特公式给由能斯特公式给 出出(I/I3大量，大量，Pt金金 属电极属电极) 电流为电流为0时，半导体时，半导体 中准费米能级中准费米能级 半导体最大程度半导体最大程度 接受染料送来的接受染料送来的 电子电子 短路电流短路电流：电：电 压为压为0时的电时的电 流流 染料送来的电染料送来的电 子最快速率子最快速率(电电 子转移向外电子转移向外电 路的速度最快路的速度最快) 其它电压电流下，半导体中电子浓度和能其它电压电流下，半导体中电子浓度和能 级级(态态)分布决定了电压、电流，分布决定了电压、电流， 染料敏化太阳电池染料敏化太阳

35、电池 复合复合 IV曲线的意义曲线的意义: 稳态特征稳态特征 电流：单位时间单位面积电流：单位时间单位面积( (体积体积) )提供的载流子流量提供的载流子流量 电压电压: : 驱动力，活化能，能级差等驱动力，活化能，能级差等 低压的电流平台区：载流子提供和复合总处于稳态，表观上与电压低压的电流平台区：载流子提供和复合总处于稳态，表观上与电压 无关，电压变化来自载流子累积无关，电压变化来自载流子累积 高功率的转折过渡区高功率的转折过渡区: : 复合开始强于载流子注入和提取，复合开始强于载流子注入和提取， 高压的平台区高压的平台区: : 复合强于载流子注入和提取复合强于载流子注入和提取, , 载流

36、子注入达到载流子注入达到 最大极限，电压增强了复合最大极限，电压增强了复合 研究目标电流载流子流量提高：提高光吸收，提高注入研究目标电流载流子流量提高：提高光吸收，提高注入 染料，电池制备，载流子输运染料，电池制备，载流子输运 电压阻止复合阻止电压阻止复合阻止I/II/I3 3向纳米晶靠近，向纳米晶靠近， 不影响染不影响染 料再生料再生 物质结构能量过程物质结构能量过程 吸收吸收 再生再生 输运输运 注入注入 外电路负载外电路负载 O/R hv 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 电池整体图像电池整体图像 ？ 对极对极 电位电位 半导体中电子浓度和分布决定了电压半导体中电子浓度和分布决定了电压(

37、 (变化变化) )， 染料注入电子速率染料注入电子速率( (正向正向) )输运复合速率输运复合速率( (反向反向) ) 收集速率电子转移向外电路的速率电流收集速率电子转移向外电路的速率电流 离子传输、对极速率足够快离子传输、对极速率足够快 开路电压 外电路外电路R I E,I 实验控制和测量：电流，电压，光实验控制和测量：电流，电压，光(强度，波长范围强度，波长范围)，时间，时间 空间，物质结构，能级，相互作用，反应机理空间，物质结构，能级，相互作用，反应机理 再生再生 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 电池整体图像无光的暗态比较的基础电池整体图像无光的暗态比较的基础 对极电位对极电位 E,I

38、, 半导体与电解质氧化还原对联合作用半导体与电解质氧化还原对联合作用(界面电化学反应界面电化学反应) 控制假设：对电极反应和电解质溶液离子传输不是控制步骤控制假设：对电极反应和电解质溶液离子传输不是控制步骤 离子传输、对极速率足够快离子传输、对极速率足够快 外电路外电路R I E,I 电解质氧化还原电位电解质氧化还原电位 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 电池整体图像理想？电池整体图像理想？ 对极电位对极电位 1.光吸收捕获光吸收捕获 ： HM + D D* 2.激子解离：激子解离： D* D+ 3.注入、输运和收集：界面半导体性质注入、输运和收集：界面半导体性质 HM* 4.再生：再生： D

39、+ + O/R 5.半导体中电子与氧化态染料复合半导体中电子与氧化态染料复合 ： HM* + D+ 6.半导体中电子与电解质中氧化物的复合半导体中电子与电解质中氧化物的复合 HM* + O/R 外电路外电路R I E,I 电解质氧化还原电位电解质氧化还原电位 染料染料 LUMO HOMO 再生再生 HMHM* D D* D+ O/R O/R h v 注入注入 光吸收光吸收 再生再生 复合复合 输运和收集输运和收集 解离解离 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 短路电流短路电流JSC E0 (输运收集足够快，复合足够小输运收集足够快，复合足够小) 短路电流决定于：短路电流决定于： 单色光单色光光捕

40、获效率光捕获效率LHE（ ） 光捕获，光谱、能级、光捕获，光谱、能级、 结构结构 激子解离效率激子解离效率 净电荷分离效率净电荷分离效率- -与染料与染料 复合复合 电荷收集效率电荷收集效率c c输运、输运、 收集、复合收集、复合 光谱响应范围光谱响应范围1 1- -2 2光谱、光谱、 能级、结构能级、结构 dLHEqI csc 2 1 0 J 短路状态短路状态 电极电位电极电位 ？ 对极电位对极电位 外电路外电路R=0 imax E0 收集收集 = 注入输运注入输运 复合复合 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 短路电流的解析短路电流的解析 54 短路电流密度短路电流密度jsc 光注入电流密度

41、光注入电流密度jinj 复合电流密度复合电流密度jrec 5.电子与氧化态染料复合电子与氧化态染料复合 复合复合I 6.电子与电解质复合电子与电解质复合 复合复合II 3. 染料的再生染料的再生 电子收集效率电子收集效率 染料再生效率染料再生效率 1.光吸收光吸收 2.电子注入电子注入 半导体半导体敏化剂敏化剂电解质电解质 （S+/S*） （S+/S） e (Co2+/Co3+) 1 2 3 4 5 6 输出输出 电流电流 4.电子在薄膜中的输运电子在薄膜中的输运 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 开路电压开路电压 i0 (输运收集足够小，电荷在电极积累充电输运收集足够小，电荷在电极积累充电)

42、 开路电压：开路电压： 稳态：电荷在电极上的积累稳态：电荷在电极上的积累 极限极限( (类电容充电类电容充电)-)-光光 电转换只用于补充电荷的电转换只用于补充电荷的 某种自放电流失？某种自放电流失？ 暂态？暂态？( (扰动实验扰动实验) ) 会会 得到什么信息？得到什么信息？ 开路状态开路状态 电极电位电极电位 ？ 开路电压 对极电位对极电位 外电路外电路R= , i=0 i0 净净0收集收集 = 注入注入输运输运 - 复合复合 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 开路电压开路电压Voc 开路电压的理论最大值开路电压的理论最大值 Vmoc=Ec-EF,redox 光阳极中电子浓度光阳极中电子浓

43、度nt 界面复合动力学的快慢界面复合动力学的快慢 相同电子浓度下的复合电流密度相同电子浓度下的复合电流密度 相同电子浓度下的电势变化相同电子浓度下的电势变化 即带边移动即带边移动 电子态的能级分布电子态的能级分布 平衡态电子浓度平衡态电子浓度 n0 电子态分布系数电子态分布系数 反向饱和电流反向饱和电流 j0 复合反应级数复合反应级数 导带电位导带电位 电解质费米能级电解质费米能级 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 非短路开路非短路开路 i 0, E 0 收集收集 = 注入输运注入输运 - 复合复合 E,I 电解质氧化还原电位电解质氧化还原电位 染料染料 LUMO HOMO 再生再生 收集收集

44、 输运输运解离解离 电解质氧化还原电解质氧化还原 E,I E,I ？ 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 器件效率器件效率 开路电压开路电压 短路电流密度短路电流密度 填充因子填充因子 界面性质界面性质 光吸收性质以及光吸收性质以及 界面电子转移性质界面电子转移性质 决定电流电压曲线决定电流电压曲线 的所有电池性质的所有电池性质 导带边位置导带边位置 复合动力学复合动力学 器件性能器件性能器件性质器件性质 染料分子结构染料分子结构 电解质组分电解质组分 半导体表面修饰半导体表面修饰 染料分子电子结构等染料分子电子结构等 器件设计器件设计 对电极材料等对电极材料等 器件效率是染料敏化太阳电池研究工

45、作的终极目标器件效率是染料敏化太阳电池研究工作的终极目标 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 研究方法 电池制备电池制备: (1) 基底准备：清洗、干燥基底准备：清洗、干燥 (2) 涂膜，多层涂膜，多层(20nm,400nm)，干燥、烧结，干燥、烧结 (3) 对极制备，活化对极制备，活化 (3) 浸渍染料，封装，注液，密封浸渍染料，封装，注液，密封 研究方法研究方法(材料：核磁、质谱、元素分析、材料：核磁、质谱、元素分析、 红外，吸收发射光谱，电镜，红外，吸收发射光谱，电镜， XPS) (1) J-V曲线，实验条件，曲线，实验条件，J-V-hv 关系，特征关系，特征Jsc,Voc,FF, , 性

46、质特性质特 征，系列样品比较征，系列样品比较 (2) IPCE, 归一，积分，吸收发射谱，对比归一，积分，吸收发射谱，对比 (3) 溶液，电化学数据，峰位、对称性溶液，电化学数据，峰位、对称性 (4) HOMO,LOMO (5) 时间分辨光谱，注入比较时间分辨光谱，注入比较 (6) 暂态分析，再生复合研究；暂态分析，再生复合研究； E , I, h 扰动扰动 (7) 飞秒光谱，过渡态、激子动力学飞秒光谱，过渡态、激子动力学 理论研究：理论研究：um多尺度模型，计算光谱、能级分布、物质分布、输运多尺度模型，计算光谱、能级分布、物质分布、输运 转移等，关联微观性质和宏观性能转移等，关联微观性质和宏

47、观性能 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 IPCEIPCE 光电流活动谱，入射单色光子光电流活动谱，入射单色光子- -电子转化效率电子转化效率(monochromatic incident (monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiencyphoton-to-electron conversion efficiency，IPCE)IPCE)，定义为单位，定义为单位 时间内外电路中产生的电子数时间内外电路中产生的电子数N N与单位时间内的入射单色光子数与单位时间内的入射单色光子数N Np p之之 比。跟染料吸收光谱密切

48、相关比。跟染料吸收光谱密切相关 主要用于评主要用于评 价器件染料价器件染料 的光谱光电的光谱光电 转换性能转换性能 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 时间相关单光子计数（TCSPC）测试荧光衰减动力学: 脉冲光源激发样品后，样品发出荧光光子信号，每 次脉冲后只记录某特定波长单个光子出现的时间t。 经过多次计数，即得到荧光光子出现的几率分布 荧光衰减曲线，一般为指数衰减。研究研究注入注入 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 荧光衰减动力学 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 注入过程，TiO2, Al2O3、Zr2O3 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 激发态瞬态吸收光谱 脉冲激发光将分子从基态脉冲

49、激发光将分子从基态 激发到激发态，用探测激发到激发态，用探测 光检测激发态分子在不光检测激发态分子在不 同时间的吸收光谱（瞬同时间的吸收光谱（瞬 态吸收差示谱），研究态吸收差示谱），研究 激发态性质、再生复合激发态性质、再生复合 竞争竞争 然后选用单波长探测光，然后选用单波长探测光， 在有无在有无O/RO/R时对比，通时对比，通 过衰减动力学，研究再过衰减动力学，研究再 生生 超快激光瞬态光谱，可研超快激光瞬态光谱，可研 究究fsfs、psps级的超快过程级的超快过程 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 激发态瞬态吸收光谱 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 光电压光电流衰减 E+ hE+ h 恒

50、定恒定 , , h h 扰动，测扰动，测 I It t I+ hI+ h 恒定恒定 , , h h 扰动，测扰动，测 E Et t 可研究输运、复合过程，获得载流子浓度、寿命等可研究输运、复合过程，获得载流子浓度、寿命等 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 阻抗技术 电化学阻抗； IMPS；IMVS DSC的阻抗模型 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 阻抗技术 电池在不同偏压下的阻抗谱。模型电池在不同偏压下的阻抗谱。模型分析分析拟合，得到在拟合，得到在 不同偏压下化学电容（不同偏压下化学电容（CC）以及界面复合电阻）以及界面复合电阻 （RrRr）和等物理量）和等物理量，进而导出，进而导出 导带变

51、化、电子浓导带变化、电子浓 度、反应级数、复合速度常数等度、反应级数、复合速度常数等 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 阻抗技术 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 计算研究 1 1 计算分子结构，光谱性质，计算计算分子结构，光谱性质，计算HOMO,LUMOHOMO,LUMO 4005006007008009001000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Normalized intensity Wavelength (nm) 2 计算染料计算染料/半导体相互作用、分子吸附取向、结构重组动态等半导体相互作用、分子吸附取向、结构重组动态等 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 计算研究

52、h 1 e - c. 多尺度多尺度(um)计算模拟全体系全过程：计算模拟全体系全过程： 吸附、光吸收、激子寿命。电荷转移等吸附、光吸收、激子寿命。电荷转移等 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 研究过程 确定有效目标确定有效目标(轻重主次轻重主次) 分析物质、物理量、现象、研究分析物质、物理量、现象、研究 技术的相互关系，预期模型数据技术的相互关系，预期模型数据 链因果链链因果链 确定研究步骤，准备条件、实验确定研究步骤，准备条件、实验 控制、结果收集、验证合理、结控制、结果收集、验证合理、结 果分析果分析 结果表达、评价，对比预期确结果表达、评价，对比预期确 认什么、反证什么、缺失什么、认什么

53、、反证什么、缺失什么、 调整什么调整什么 反馈反馈 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 作业 1 1、对太阳电池，通过、对太阳电池，通过JVJV曲线测量，可以获曲线测量，可以获 得用于评价电池性能的哪些重要信息？得用于评价电池性能的哪些重要信息？ 2 2、简述染料敏化太阳电池的原理。、简述染料敏化太阳电池的原理。 3 3 、基于你的化学热力学、动力学知识，谈、基于你的化学热力学、动力学知识，谈 谈你对人类能源危机的看法。谈你对人类能源危机的看法。 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 光电转换 光与电光与电 波的波粒二象性波的波粒二象性: 1900: 1900年普朗克黑体实验提年普朗克黑体实验提 出

54、量子假说出量子假说 E=mcE=mc2 2/2 = h/2 = h ; ; =c/ =c/ m = 2h / c m = 2h / c 一份光量子的质量一份光量子的质量( (不同波不同波 长含不同的光子数长含不同的光子数, ,红红656nm656nm紫紫410nm410nm 10101616个光子个光子) ) 光子的质量光子的质量 约约6.8x106.8x10-38 -38 kg, kg,静止质量为静止质量为01.501.51010-55 -55kg kg 电子的质量约电子的质量约9.1x109.1x10-31 -31 kg kg 吸收光能吸收光能 电子能级阶跃电子能级阶跃 染料敏化太阳电池染

55、料敏化太阳电池 电势 电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该点移电荷在某点的电势能，等于静电力把它从该点移 动到零势能位置动到零势能位置( (大地或真空无限远大地或真空无限远) )所做的功所做的功 ( (电势能的差电势能的差) ) 电荷在电场中某一点的电势能与电荷量的比值，电荷在电场中某一点的电势能与电荷量的比值， 叫做这一点的电势叫做这一点的电势 电荷量为电荷量为1C1C的电荷在该点的电势能是的电荷在该点的电势能是1J1J，则该点，则该点 的电势的电势( (位位) )就是就是1V1V 实用中我们关心的是变化或差值，于是电压实用中我们关心的是变化或差值，于是电压 、电、电 势、电位势、电位(

56、(实用中隐含参照系参考点实用中隐含参照系参考点, ,是电势差是电势差) ) 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 电容、电荷、电势电容、电荷、电势 电容电容C = dq / dEC = dq / dE 电容电容( (容量容量) ) 是积累电荷的变化与引起的电势变化的比值是积累电荷的变化与引起的电势变化的比值 态密度分布态密度分布-态密度态密度( (能态的容量能态的容量) )对能量能级的分布对能量能级的分布 孤立原子：电子具有确定的不连续能级孤立原子：电子具有确定的不连续能级 N N个原子靠近聚集时个原子靠近聚集时( (相互作用相互作用) )，能级重叠，能级重叠( (价电子的能价电子的能 级兼并相互

57、作用级兼并相互作用) )分裂分裂( (表达表达) )成成N N个聚集能级个聚集能级( (能级分能级分 裂裂) )，产生能带，产生能带( (价电子价电子 导带价带导带价带) )。如果原子间距离。如果原子间距离 继续缩短，导带价带也将重叠接近连续，于是电子在外继续缩短，导带价带也将重叠接近连续，于是电子在外 电场作用下几乎可以连续的改变能量电场作用下几乎可以连续的改变能量( (即金属即金属) )。而半导。而半导 体体- -带隙带隙0.50.53eV3eV，价带满导带空，在热运动或杂质影响，价带满导带空，在热运动或杂质影响 下，价带中才会有空穴下，价带中才会有空穴(p(p型型) )，导带才会有电子，导带才会有电子(n(n型型) )， 带隙带隙4 45eV5eV绝缘体。不同的原子价电子不同绝缘体。不同的原子价电子不同 本征本征TiOTiO2 2带隙带隙3.2eV,3.2eV,对应约对应约387nm387nm的光的光 染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池 电化学反应基础 溶液氧化还原对：分