染料敏化太阳能电池的研究进展

染料敏化太阳能电池的研究进展开发利用太阳能是解决目前能源问题的行之有效的手段。目前发展最成熟的太阳能电池是硅基太阳能电池，单晶硅太阳能电池的效率已达到25%以上，但是它对材料的纯度要求高、制作工艺复杂、成本昂贵，这极大地限制了它的广泛应用。1991年，瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授及其小组报道了染料敏化纳米晶太阳能电池（dye-sensitizedsolarcells，DSSC）的光电转化效率为7.1%，从此由于它简单的制作工艺、相对高的光电转化效率、低廉的成本等优点迅速成为广大科学家及科学工作者的研究热点与重点。一、染料敏化太阳能电池（DSSC）的

结构与原理1.结构DSSC的结构是典型的“三明治”结构，光敏染料太阳能电池的构造和原理如图1，一般是由光阳极、敏化染料、氧化还原电解质以及对电极（通常为铂电极）组成。其中光阳极包括：透明导电基底（这里为导电玻璃）、纳米多孔半导体。图1染料敏化太阳能电池的结构与工作原理示意图2.工作原理当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。二、染料敏化太阳能电池的研究现状1.光阳极上纳米多孔半导体的研究进展DSSC光阳极上的半导体材料多采用纳米多孔TiO2，它是染料分子的载体，同时分离并传输电荷。目前光阳极的研究重点主要是两方面：①寻找制备半导体光阳极薄膜时，可以增大TiO2比表面积和改善TiO2表面活性的方法；②由于电子在TiO2薄膜中电子的传输阻力大，影响电池转换效率的进一步提高，故寻找可以替代TiO2的其它半导体材料。1.1光阳极上半导体薄膜的制作方法制备光阳极纳米多孔薄膜的方法很多，包括溶胶-凝胶法，粉末涂敷法、水热法、液相沉积法、化学气象沉积法、电化学法等。其中粉末涂敷法在工业生产中称为丝网印刷法，具有工艺简单、适合大规模生产等优点，为电池的大规模工业化奠定了基础。以上方法所制得的都是无序膜，内在的传导率较小，不利于电荷载流子的分离和传输。电子在纳米晶网络的传输过程中与电子受体的复合也会引起电流的损失，在电极面积放大时尤为突出。未来膜电极的发展方向是制备高度有序的薄膜结构，如纳米管、纳米棒、纳米线、纳米阵列等。这些氧化物半导体薄膜垂直平行排列于导电玻璃片的表面，其结构的有序性，利于电子空穴对的分离和传输且易于控制，有望进一步提高短路电流和开路电压。Nicholas等比较了高度有序的TiO2纳米棒阵列、高度有序的TiO2纳米管阵列、烧结的纳米TiO2粉体薄膜的光电转换效率，结果表明高度有序的TiO2纳米棒阵列薄膜作为光阳极时，光电转换效率最高，达到了5.4%。1.2光阳极上半导体薄膜的改性方法为了提高DSSC半导体薄膜中电子的传输效率，需要对薄膜表面进行修饰，常用的方法有表面改性、半导体复合、离子掺杂以及紫外诱导等。表面改性有TiCl4表面处理，TiCl4表面处理后的TiO2膜电子注入效率提高[17]，单位体积内的TiO2量增多[18]，TiO2的导电带边位置降低[19]，最终提高了电池的开路电压与短路电流。黄春辉等[20]还使用酸处理对薄膜表面进行改性，电池的电流、电压与转换效率都有提高。半导体复合敏化是在TiO2膜表面包覆一层导带位置比较高的氧化物半导体，敏化后的薄膜能更有效地吸收光能，复合膜的形成能够改变薄膜中电子的分布，抑制载流子在传导过程中的复合，提高电子传输效率。例如，TiO2表面包覆ZnO、Nb2O5、SrO、CdS、PbS等金属氧化物后电池效率均有提高[21]。再如，庄东填等[22]在TiO2光阳极表面分别包覆了一薄层Al2O3、MgO、ZnO之后，得到DSSC的光电压都有明显的增大。离子的掺杂会影响电极材料的能带结构，会抑制电子空穴对的复合，提高光生电荷的分离效率，离子掺杂一般是掺杂稀土元素与过渡金属元素[23-24]。UV紫外照射，也会提高电池的光电转换效率，2001年，Suzanne等[25]用紫外光照射TiO2电极后发现，光电流得到大幅度的提高，整体的光电转换效率提高45倍，并且当停止紫外光照射后，UV对电池的影响作用仍然存在一段时间。1.3光阳极上半导体薄膜材料有研究表明电子在TiO2薄膜中的运动受到束缚，在多孔膜中停留时间长，和电解质的复合的概率大，导致暗电流增加，从而降低了TiO2电池总的效率。可以代替TiO2的氧化物半导体有ZnO、SnO2、Nb2O等。在这些材料中，ZnO是最有可能成为替代TiO2的氧化物之一，电子在ZnO中有较大的迁移率，有望减小电子在薄膜中的传输时间。且纳米ZnO的制备要比TiO2简单得多，可以进一步降低电池成本。曾隆月等使用丝网印刷法制备纳米ZnO作为光阳极制作染料敏化薄膜太阳电池，得到的电池效率高达2.22%。最近有报道使用20nm的ZnO粉体制成薄膜，组装成电池得到的光电转换效率η提高到6.58%。2.敏化染料的研究进展敏化染料在DSSC中起着吸收可见光并提供电子的作用，是电池的关键组成部分。高性能的敏化染料首先要能够很好的吸附在半导体表面，其次敏化染料的禁带宽度需要比半导体薄膜的禁带宽度