染料敏化太阳电池.

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitizedsolarcell，简称DSC或DSSC）12染料敏化太阳能电池（DSSC）DSSC的技术指标DSSC发展简介31提高DSSC光电效率的研究3334DSSC的组成及工作原理32DSSC制备流程35DSSC产业化现状36目前，DSSC的光电转化效率已能稳定在13％以上，寿命能达15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。低成本是DSSC的突出优势。3DSSC发展简介1991年，GrätzelM.于《Nature》上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池(DSSC)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2013年由瑞士洛桑联邦理工学院(MichaelGrätzel)的研究小组、英国牛津大学和日本桐荫横滨大学的研究小组，分别独立开发出了转换效率超过15％的固体型染料敏化太阳能电池。电解质的全固态Grätzel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。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；制成透明的产品，应用范围广；在各种光照条件下使用；光的利用效率高；对光阴影不敏感……4优势5DSSC的组成6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。DSSC和植物的光合作用7DSSC的工作原理光电阳极:Dye+hν→Dye*(染料激发)Dye*→Dye++ｅ-(TiO2)(产生光电流)Dye++1.5I－→Dye+0.5I3-(染料还原)阳极发生的净反应为:1.5I－+ｈν→0.5I3-+ｅ-(TiO2)对电极:0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(电解质还原)整个电池的反应结果为:ｅ-(Pt)+ｈν→ｅ-(TiO2)(光电流)8+.9太阳电池受载特性曲线（1）短路电流（Isc)：当太阳电池的输出端短路时（V=0)。与入射光强度成正比。（2）开路电压（Voc)：当太阳电池的输出端开路时（I=0).（3）填充因子：接上负载R时，所得的负载I-V曲线如图。当负载Rm使功率输出为最大时，对应的最大功率Im、Vm：最佳工作电流和最佳工作电压。填充因子FF愈大则输出功率愈高；FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、串联和并联电阻等DSSC的评价技术指标mmmVIPSCOCmmSCocmIVIVIVPFF10（4）太阳电池转换效率（）：最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能（Pin）之比。首要的关键指标：决定着电池的成本、质量、材料消耗、辅助设施等许多因素inSCOCinmPFFIVPP111213——重点研究的三大方面提高DSSC光电效率的研究14性能优的敏化剂：钌的多吡啶配合物（*较强的可见光吸收、良好的光电化学性能、激发态稳定）15161718192021Coupledsemiconductor(耦合式结构半导体)Cappedsemiconductor(核壳式结构半导体)2223——重点研究的三大方面提高DSSC光电效率的研究242氧化物半导体薄膜（1）TiO2纳米晶（用的最多、效率最高）优点：含量丰富、价格便宜、无毒、稳定、抗腐蚀性好一般采用锐钛型TiO2。易实现对TiO2晶型和粒径的有效控制多孔薄膜制备法：浸渍法、旋涂法、丝网印刷法、溅射法、水热反应法、醇盐水解法、高温溶胶喷射沉积、等离子喷涂等粉体制备方法：溶胶-凝胶法、TiCl4水解法、电化学等**微观结构（孔径气孔率）25**ZnO一维结构(a–d)siliconsubstrate(e–h)substrateD.-I.Suhetal.ChemicalPhysicsLetters442(2007)348–35326——重点研究的三大方面提高DSSC光电效率的研究271电解质体系•作用：（1）复原染料，传输电荷（2）引起半导体、染料和氧化还原对能级的改变，导致体系动力学特性变化，从而对光电压和转换效率产生很大影响。28DSSC的电解质按物理状态分为液态电解质、准固态电解质和固态电解质。•关键：氧化还原电对（1）快速与阴极电子反应，减少电子在阴极的积累；（2）对阳极光电子反应活性低，减少暗反应；（3）氧化还原电势与染料能级匹配，能迅速还原氧化态染料，减少注入电子与之的反向复合293031DSSC制备流程323334353637最新进展钙钛矿基的有机无机混合结晶材料CH3NH3PbI3作为敏化材料首次实现了可与结晶硅型太阳能电池相匹敌的转换效率38这种结构的DSSC的前身是日本桐荫横滨大学教授宫坂力的研究小组于2009年4月提出的太阳能电池。当时，很多人尝试采用无机半导体微粒——量子点作为敏化材料，制造“量子点增感型太阳能电池”。宫坂指出“量子点效率低，并且存在电流反向流动等许多课题”。因此，将目光转向了CH3NH3PbI3。CH3NH3PbI3不仅能高效吸收从可见光到波长800nm的广谱光，还具有能在TiO2等多孔质材料上直接化学合成的特点。非常适合涂布工艺。不过，宫坂等人在2009年试制时，采用了传统的DSSC电解液，转换效率只有3.8％。394015.36%19.3%(2014)20%(2015)41宫坂表示:此次的太阳能电池采用现在的材料和技术，转换效率能达到17％。将来，还能够达到21％随着工艺不断优化，转换效率仅三四年时间就猛增至20％。42表面改性、离子掺杂等，提高染料吸光能力、与纳米材料能带匹配形貌控制、提高染料吸附量、能带匹配度、电子传输速度等提高电子传输速度43瑞士的Solaronix和澳大利亚的Dyesol是目前世界上规模最大的两家以DSC为主要经营方向的公司，产品涵盖了包括TiO2浆料、染料、电解液、对电极和封装材料等在内的制备DSC所需基本原料及相关的制备和测试设备。瑞士Solaronix公司用17个10cm*10cm的单元电池组成了集成化电池。澳大利亚的STI公司已开始出售以BIPV为名的DSC阵列。2001年，DyesolIndustry(原STI)建造了世界上第一个面积为200m²的DSC电池示范屋顶，展示了DSC在建筑行业的应用前景。欧洲方面，英国Cardiff的G24innovation和以色列的3GSolar新兴公司备受瞩目。G24innovation受惠于美国Konarka公司的roll-to-roll工艺，于2006年建成了20MW的柔性DSC生产线。已开发出以透明导电涂层聚合物薄膜为基底的柔性DSC产品。并与香港一家公司合作，开始出货结合了DSC充电模块的背包。这是世界上首个基于DSC的商品。3GSolar也已经可以小规模生产基于玻璃基底的DSC模块。该公司主要致力于DSC模块的保护以及稳定性改良，并预计经过2010～2013年新的一轮融资和试产后，在2014年推出其第一代商品化模块。最近，在爱尔兰新成立的Solarprint，也准备从自身具备优势的印刷方面切入DSC的商品化中。DSSC国际产业化现状44亚洲方面，日本一直是DSC研究和商品化的大力倡导者。大型集团公司如Sharp和Sony一直在大力支持DSC的研发，目前DSC模块的最高效率也是由这两家公司先后保持的。依托于Toin大学Miyasak研究组的Peccell公司，则比较有希望在近期推出柔性DSC模块。日本的AISIN精机公司和丰田中央研究所联合开发了用作建筑—光伏一体化的DSC，将大约30个单块电池组24cm*24cm的单元，8片单元再组合为一个模块。（在单位时间，单位面积的发电量超过了硅基太阳能电池，今后的市场前景十分乐观）Fujikura公司也一直致力于室外DSC模块的效率和稳定性研究，并指出目前DSC产业化的主要问题在于降低染料和光阳极浆料的价格。韩国的Timo公司和Acrosol公司通过引进Dyesol的技术，也积极准备投入到DSC的商品化中。台湾的永光科技是世界上第三家取得用于DSC染料生产许可的公司，而奇菱科技和福盈科技都宣布进入DSC的工业化。除此之外，PCB生产厂家Tripod也在积极开发室温制备的高效柔性对电极，据称已准备试产。DSSC国际产业化现状4546中国科学院等离子体物理研究所一直致力于大面积电池的研究工作，于2004年年底建立了500W的小型DSSC示范电站