太阳能结课论文

1、阳光下的现代化未来敏化TIO2纳米晶太阳能电池的发展摘要：太阳光发电，作为无穷的、完全洁净的能源，再加上全球性的能源危机，太阳光近年来越来越受到人们的重视。本文介绍了敏化TiO2纳米晶太阳能电池的工作原理和表征方法，并对常用的制备工艺、敏化剂的选择、目前选到的水平进行了综述，在此基础上提出了一些值得深入研究的问题。关键词：TiO2纳米晶、敏化、光电转换目前，得到广泛应用的太阳能电池几乎均采用硅材料。为降低成本和节省昂贵的半导体太阳能电池结构材料，人们从改进工艺、寻找新材料、电池薄膜化等方面进行了尝试。其中一个重要方面是将一种窄禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能源半导体材料上形成敏化太阳能电池

2、。这种结构的最主要优点是可将吸收太阳光产生激发态电子的区域与电荷传递区域分离，减少复合，提高光电转换效率。Ti02是一种非常重要的半导体材料，价廉、完全无公害且极稳定它的带隙为3.2eV，只能吸收波长小于375nm的紫外光80年代以来，人们一直在探索制备高表面比Ti02薄膜的方法并用光敏材料对其修饰以提高光电转换特性。但由于光电转换效率很低，远不能达到实用水平，所以一直不为人们所重视。直到1991年，瑞士洛桑高等工业学院MG瞰zel等以过渡金属Ru的有机化合物作染料 配以适当的氧化还原电解质制成的TiO2电池取得了太阳光下光电转换效率选71的令人鼓舞的结果，加之它廉价的成本，简单的制作工艺，引

3、起了众多研究工作者的兴趣。1996年，Masamitsu等人利用固态高分子电解质制备了全固态太阳能电池，利用特殊的制备方法获得了高离子导电性的电解质，得到了连续的光电流，并得到0.49的光电转换效率。1998年Graetzel等人利用OMeTAD作空穴传输材料得到0.74的光电转换效率，而其单色光光电转换效率达到了33，引起了世人的瞩目，使纳米太阳能电池向全固态迈进了一大步。研究表明，只有紧密吸附在半导体表面的单层染料分子才能产生有效的敏化效率。以往人们普遍采用的致密，平滑的半导体表面吸附的单层染料仅能吸收不到1的人射光，Gratzel等之所以能取得上述突破性进展，最关键的一点在于采用具有高表

4、面比的纳米多孔Ti02层。一方面，大的比表面积能吸附更多的单层染料分子；另一方面，太阳光在粗糙表面内多次反射，可被染料分子反复吸收，极大提高了太阳光的利用率。敏化纳米晶太阳能电池的结构由导电玻璃、纳米多孔Ti02、敏化剂、电解质等部分组成。基底是镀0507微米氧化锢锡(ITO)或掺F的氧化镉透明电极的玻璃，方块电阻为10-20欧口，透光率大于85。为使电扳达到更好的光和电子收集效率有时经过特殊处理，如镀上薄层Pt，Pt对光的反射能提高太阳光的吸收率，Pt层还有助于提高电子收集效率。TiO2电极要求纳米多孔结构以保证有大的比表面积，提高对太阳光的吸收率。敏化剂要均匀吸附在TiO2表面。均匀敏化的

5、具有粗糙表面的TiO2构成电池的主体部分。Ti02纳米电极制备工艺对Ti02的表面形貌、导电特性进而对成品太阳能电池的性能有至关重要的影响。Ti02纳米电极大都是将Ti02超微粒胶体溶液喷涂在导电玻璃上形成的。胶体溶液的制备方法常用两种，一种是用钛盐水解，一种是采用现有商业Ti02超细粉经研磨再加人表面活性剂。为提高Ti02电极的电荷分离与传输能力，在成膜前后有时还对电极进行一些特殊处理。现将目前常用的两种典型方法详细叙述如下。方法1：在干氮气流下，将125ml T (OCH(CH3)2)4加人含20ml 2-丙醇的150ml滴液漏斗中。将蒸馏过的去离子水缓慢加人混合液，10min内加至750

6、ml并不停搅拌，同时加人5.3ml 70硝酸。该混合液在8O 搅拌8h，以蒸发掉2一丙醇和一部分水。如此得到的近700ml稳定的TiO2溶胶，在高压釜中230或240热压处理12h，然后25真空旋转蒸发浓缩，加入质量为Ti02的40的聚乙二醇，得到TiO2质量分数为20的悬胶液。用多扶甩胶(3000rmin)多次煅烧的办法(每次约厚04微米)将所需厚度(10微米左右)的Ti02层沉积在导电玻璃衬底上，再在空气中450热处理30min，最后在Ti()溶液中电镀上一单层TiO2层，这一步骤能显著提高太阳能电池的开路电压和短路电流。高分辨率扫描电镜显示TiO2粒径为15nm。方法2：采用商业TiO2

7、超细粉(德国Dagussa公司，P25，为25锐钛矿和75金红石结构的混和物，粒径25nm，比表面积55g)。将12gTio2粉末加人含0.4ml乙酰丙酮(防止颗粒团聚)的4m1水中，在陶瓷研钵中研磨成粘胶状，再边研磨边慢慢加人16ml水稀释。最后为促进胶体在衬底上的分散加人曲拉通(Aldrich公司，Triton X-100，0.2ml)作活性剂。按5微升每立方厘米的比倒将胶体溶胶用玻璃棒在导电玻璃衬底表面铺展开来，在空气中干燥后，再在空气中450-550热处理30min，得到厚12微米的膜层再用TiO2水溶液在表面生成一层纳米TiO2颗粒。(在0 准备好2moldm3TiCl4储备液，使用

8、时稀释至0.2moldm3，按50微升每立方厘米铺在表面，在密闭容器中室置下放置一夜，用去离子水清洗)。与方法1中电沉积一层TiO2的作用类似，除了能增加活性表面积外，还能提高表面层的纯度，进而提高电子注人效率和半导体电解液结构的填充特性。染料对半导体的修饰最早用在照相技术上。用染料修饰卤化银感光乳剂，能将光响应范围拓宽至红光及红外光。1887年，Moser将此概念移至光电效应方面，用赤藓红(etythrosine)染料修饰卤化银电极，使光电流增强。到本世纪6o年代，德国的Tribumch研究了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理。与此同时，人们也一直在探索把敏化过程应用于制作低成本

9、太阳能电池的途径。但直到1991年，Gratzel小组才用Ru有机染料敏化高比表面积TiO2多孔电报，取得了令人鼓舞的成果。作为光敏化剂的材料必须具备几个基本条件：(1)吸收尽可能多的太阳辐射能；(2)能紧密吸附在TiO2表面；(3)与TiO2的能带匹配，激发态寿命长，保证激发态电子能有效注人；(4)具有长期稳定性，能经得起无限次激发氧化一还原，至少要20年以上。目前，关于染料敏化TiO2纳米晶化学太阳能电池的研究还在深人进行人们试图寻找具有更宽光谱吸收范围的染料(Rul2(NCS)2只能吸收800nm 以下的光能)。一个努力的方向即进行分子设计，设计多基元的超分子系统，每个基元都能吸收光能、

10、发射电子，以增加光吸收的截面积和吸收谱宽度。高效率的敏化剂也未必仅限于Ru有机化合物。进一步改善微结构和染料吸附状态也可以提高太阳能电池性能。在敏化TiO2纳米晶太阳能电池的研制过程中，选择具有宽吸收光谱的敏化材料是至关重要的因素。除此以外：(1) 制作工艺需精心设计不同的工艺导致同种材料有不同的微结构，进而影响光电子的产生与传输特性。(2) 导电玻璃要有良好的透光性和低的面电阻。(3) 选择具有合适氧化一还原电位的电解质。另外，为了达到商业化标准，液体电解质要逐步用周体电解质取代，以提高太阳能电池的稳定性和使用寿命。敏化TiO2纳米晶太阳能电池在我国的发展: 北京大学2002年5月22日公开

11、的CN1350334纳米晶膜太阳能电池电极及其制备方法，涉及一种纳米晶膜太阳能电池电极及其制备方法，以宽禁带半导体纳米晶膜为基底，在该基底表面吸附一层金属离子，再在金属离子吸附层上吸附光敏化剂。通过金属离子的表面修饰，改善电极的光电转换性能，提高太阳能电池的光电转换效率。与单纯TiO2相比，基于金属离子修饰TiO2纳米晶太阳能电池的光电转化效率提高了514，可作为电极广泛应用于太阳能领域。东南大学2005年1月12日公开了CN1564326软基固态染料敏化薄膜太阳能电池及制备方法。软基固态染料敏化薄膜太阳能电池是一种成本低、制造工艺简单、性能稳定、理论上寿命可以达到20年以上的软基太阳能电池，

12、该太阳能电池的结构为层状结构，即：在透光导电聚酯片下设有TiO2纳米晶膜，在TiO2纳米晶膜下设有LnPc2敏化层，在LnPc2敏化层下设有固体电解质层，在固体电解质层下设有柔软金属膜背电极，在柔软金属膜背电极下设有高阻隔复合Al膜。复旦大学2005年7月27日公开的CN1645632一种固态染料敏化纳米晶太阳能电池及其制备方法，具体为一种采用离子液体与无机纳米粒子之间的氢键相互作用形成的染料敏化纳米晶表面组装上固态电解质作电解质材料的太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池中，在吸附光敏化剂的宽禁带半导体纳米晶膜的表面组装固态电解质来代替液体电解质，解决了液体电解质的封装问题，而且在不明显降低电

13、池的光电转化效率的前提下，能够大幅度延长染料太阳能电池的使用寿命。其中的宽禁带半导体纳米晶膜为TiO2纳米晶膜。中国科学院等离子体物理研究所就染料敏化纳米薄膜太阳电池申请了多篇专利，其中2003年9月24日授权公告的3篇发明专利分别涉及到染料敏化纳米薄膜太阳电池的电解质溶液、电极制备方法、密封方法等，CN1444290公开的染料敏化纳米薄膜太阳电池用电解质溶液，以A、B或B、F或A、B、F为主体组分，通过复配或不复配其它四个组分中的一个或几个组分组成电解质溶液，其中A组分有机溶剂或混合有机溶剂；B组分电化学可逆性好的I2/I-(即I3-/I-)氧化还原电对；C组分光阳极的配合剂；D组分碘化物中

14、阳离子的配合剂；E组分I2的配合剂；F组分离子液体；G组分紫外吸收剂。这种电解质溶液，具有较高的电导率、较低的粘度、良好的电化学可逆性、良好的低温稳定性、较强的耐紫外线性能，能提高太阳电池效率，增加太阳电池寿命，本身性能稳定，对环境无污染等优点中国科学院等离子体物理研究所2005年9月7日公开的CN2724205大面积内部并联染料敏化纳米薄膜太阳电池，包括有上、下两面透明基板，透明基板上有透明导电膜，透明导电膜上有导电电极与催化剂层间隔排布，另一透明导电膜上导电电极与纳米多孔半导体材料块间隔排布，纳米多孔半导体材料中浸渍有染料。将两块透明基板叠放在一起，周边密封成腔体，腔体中有电解液。参考文献

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