染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池

1、染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池太阳能电池太阳能电池 原理： 太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。 分类：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池硅太阳能电池碲化镉薄膜太阳能电池聚合物多层修饰电极型太阳能电池纳米晶太阳能电池塑料太阳能电池有机太阳能电池染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池发展历程：染料敏化太阳能电池发展历程： 1960 年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming发现

2、染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的现象，成为光电化学电池的重要基础。 1970年代到90年代，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh等人大量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶间光敏化作用，研究主要集中在平板电极上，这类电极只有表面吸附单层染料，光电转换效率小于1%。 1991年，Grätzel M.于Nature上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文章以较低的成本得到了7%的光电转化效率，开辟了太阳能电池发展史上一个崭新的时代,为利用太阳能提供了一条新的途径。 2002年Peng Wang等人用含有1 - m e t h y

3、 l - 3 -propylimidazolium iodide 和 poly (viylidenefloride-cohexafluoropropylene)离子液态聚合物凝胶电解质的准固态染料敏化纳米晶太阳能电池，其光电转换效率可达5.3 % 。 2003年，日本Kohjiro Hara等人报道了一种多烯染料敏化纳米太阳能电 池，其光电能量转换率达6.8 % 。 2009年，中国科学院长春应用化学研究所王鹏课题组研制的电池的效能为9.8%。 2011年，Michael Grtzel等人宣布制成了光电效率为12.3%的电池，这打破了染料电池光电效率的最高纪录。 2014年，Michael G

4、rtzel课题组再次刷新染料敏化太阳能电池效率，最终达到13%。相关知识相关知识 1） 什么是染料敏化？ 染料敏化是指与宽带隙半导体的导带和价带能量匹配的一些有机染料吸附到半导体表面上，利用有机染料对可见光的强吸收从而将体系的光谱响应延伸到可见区的现象。2） 为什么要对TiO2纳米晶进行染料敏化？ 常规硅太阳能电池的主要成分是Si,他的带隙为1.2eV,在可见光范围内即可将它激发，在PN结电场作用下产生电流。而锐钛矿形TiO2的禁带宽度为3.1eV,吸收位于紫外区，但当表面吸附上敏化染料后，借助于染料对可见光谱良好的响应，可将它的吸收拓展到可见光区。 3） 为什么选用纳米晶TiO2多孔半导体薄

5、膜？ TiO2是一种n型半导体材料，有强的氧化性和还原性。在光化学反应中，以TiO2作催化剂，在太阳光，尤其是在紫外线的照射下，使TiO2固体表面生成空穴(h+)和电子(e-)。选用纳米多孔的TiO2膜和表面有15%左右粗糙度的导电膜，使的整个半导体膜成海绵状，有很大内部表面积，能够吸收更多的燃料单分子层，这样既克服了原来电池中只能吸收单分子层而吸收少量太阳光的缺点，又能使太阳光在内膜多次反射，太阳光被染料反复吸收，产生更大的光电流，从而大大提高光电转化率。 4）纳米晶多孔TiO2薄膜的制备 采用水热法合成表面含有官能团的碳球，并将其作为模板剂与纳米TiO2粉末均匀混合制备出多孔光阳极。 a)

6、 碳纳米球模板的制备： 配制0.5mol/L的葡萄糖水溶液，分别在160/170/180/190/200 摄氏度下在高压反应釜（填充度80%）中反应4h，温度降至 室温后取出产物，分别用蒸馏水和无水乙醇经三次“离心-洗 涤-再分散”洗涤，最后在80摄氏度下干燥烘干。 碳球的SEM图 a 180 ; b 190 ; c 200 上图为通过水热法所制碳球的表面形貌，可看出碳球表面 光滑，球与球之间存在团聚。这正是由于通过水热法合成的碳 球表面含有大量的羟基和羟基极性官能团所致。采用粒径分布 计算可得出180 、 190 、 200反应条件下探求的尺寸分 布范围 为120nm-220nm、170nm

7、-300nm、200nm-350nm，平 均直径分别为150/220/300nm。 b) 多孔TiO2薄膜的制备： 将190摄氏度水热合成的碳球和纳米TiO2粉末按一定质量比混 合，添加入一定比例的无水乙醇和乙酰丙酮后，混合球磨24h， 继续添加16ml无水乙醇混合球磨24h,最后加入两滴曲拉通混合 球磨3h即可得到用于涂抹的TiO2浆料。采用刮涂法在透明导电 玻璃制备多孔薄膜，再经500摄氏度煅烧30min。纳米晶TiO2多孔薄膜结构纳米晶TiO2薄膜的SEM谱图 从图(a)可观察到薄膜由均匀分布的Ti02晶粒相互连接组成，晶粒之间存在着许多微观。由图(b)可知，膜的厚度均匀，厚度为330

8、nm。X射线衍射（XRD）分析表明：经过热处理的样品，锐钛矿相TiO2，纳米晶平均粒子尺寸为5.332.4 nm，其薄膜的平均粒子尺寸为6.729.6nm。5） TIO2薄膜的透射光谱TIO2薄膜的透射光谱（C0、C1、C2、C3、C4、C5分别表示碳球/TiO2的质量比分别为0%、1%、2%、3%、4%、5%）TiO2膜透射薄率随碳球含量变化曲线 上图表示的是多孔TIO2薄膜的透射光谱。从图中可以发现，添加模板剂后，薄膜的光透射率有不同程度的降低，并呈现出先增大后减小的变化趋势。由于薄膜透射率的降低应来自于散射的增强。Raylei公式散射系数的影响因素： 其中，R为散射单元直径，V为散射单元

9、体积颗粒的百分比，为波长，n为相对折射率，薄膜的孔隙为散射单元，可知薄膜光散射性能主要因素是薄膜的孔径。 由上述图可知，碳球的加入有利于TIO2薄膜多孔结构的产生，增大薄膜的孔隙率，这些多孔结构可作为光阳极的散射中心，导致入射光在传播过程中被大量散射，使光子在薄膜内的路程增长，这有利于提高薄膜对光子的吸收，从而引起透射光强减弱。2222342132nnVRS结构结构原理原理（1）染料分子吸收太阳能光 跃 迁到激发态；（2）激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带；（3）电子扩散至导电基底，后流入外电路中；（4）处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；（5）氧化态的电解质在电极接收电子后

10、被还原，从而完成一个循环；（6）（7）分别为注入到TiO2导带中的电子和氧化态染料的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合。优势优势与传统的太阳电池相比： 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，预计每峰瓦的 电池成本在10元以内; 生产过程中无毒无污染。展望展望 利用纳米尺度的半导体材料作为太阳能电池的光阳极的研究已成为世界范围的研究热点。半导体材料TiO2纳米晶多孔膜是很有发展前景的光阳极材料。进一步提高敏化太阳能电池的光电转换效率主要有以下三个途径：(1)制备性能优异的TiO2纳米晶多孔膜，其纳米粒子具有合适的尺寸、形状、晶体结构、表