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摘要：介绍了染料敏化太阳能电池（DSSC）的基本结构、工作原理和影响其光电转换效率的关键材料，如阳极材料、染料、电解质、阴极材料；综述了各组成部分的研究现状和发展趋势，以及电池放大和模块集成方面的最新进展。关键词：染料敏化太阳能电池阳极材料染料电解质阴极1前言随着社会的飞速发展，人类对于能源的需求进一步增加。传统能源，如石油、天然气、煤炭的大量使用，不仅污染了全球的环境，还导致了全球变暖和温室效应等问题。太阳能作为一种可再生能源，和其他能源相比有着很多优点：不会造成生态环境污染；取之不尽、用之不竭；成本较低、功率巨大等。而太阳能电池又是开发利用太阳能最有效的方法之一。目前已经商业化的硅太阳能电池，由于对材料的纯度要求较高，工艺复杂，成本昂贵，限制了它的普及和广泛应用。而20世纪90年代发展起来的染料敏化太阳能电池具有廉价、高效、制作工艺要求低、寿命长的优点，迅速成为当今世界科学家的研究的热点和重点。对它的研究将有利于缓解当今能源危机和环境污染的问题，具有非常重要的现实和长远意义。本文将简单介绍了DSSC的基本结构、工作原理，综述了各个组成部分目前的研究现状及发展趋势。2染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理在辐射到地球表面的太阳光中，紫外光占了4％，可见光占了43％。而n型半导体Ti02的带隙为3．2eV，这决定了其吸收谱位于紫外光波段，对于可见光的吸收比较弱。为了增加对太阳光的利用率，人们把染料吸附在TiO2表面，借助染料对可见光的敏感效应，来增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率。染料敏化太阳能电池是由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的类似于“三明治”式的结构。其光电转换在几个界面完成：(1)染料和Ti02纳晶多孔膜组成的界面；(2)染料分子和电解质构成的界面；(3)电解质和对电极构成的界面。光电转换机理如上图所示，对应于各标号的物理化学过程如下：1.太阳光(hu)照射到电池上，基态染料分子(D)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态，染料分子因失去电子变成氧化态(D*)；2.激发态的电子快速注入到Ti02导带中；3.注入到Ti02导带中的电子在Ti02膜中的传输非常迅速，可以瞬间到达膜与导电玻璃的接触面，并在导电基片上富集，通过外电路流向对电极；4.与此同时，处于氧化态的染料分子(D*)，由电解质(I一/I3一：Red／Ox)溶液中的电子供体(I一)提供电子而回到基态，染料分子得以再生；5.电解质溶液中的电子供体(I一)在提供电子以后(I一)，扩散到对电极，得到电子而还原。从而，完成一个光电化学反应循环，也使电池各组分都回到初始状态。但是实际的DSSC光伏发电过程中还存在着一些不可避免的暗反应，这主要包括：1.注入到Ti02导带中的电子与氧化态的染料发生复合反应；2.注人到TiO2导带中的电子与电解液中的I，一发生复合反应。为了提高DSSC的光电转化效率，应尽量避免这些暗反应的发生。各机理在一定范围内能解释某些实验现象，但并不完善，有待进一步研究。3染料敏化太阳能电池的研究进展3.1阳极材料的研究进展通过查阅文献获知：纳米多孔氧化物半导体薄膜的制备方法、晶体类型、表面形态、微粒尺寸、孔的大小以及组成等因素对DSSC的性能都有很大影响。由于DSSC的开路电压取决于半导体氧化物的费米能级与电解质氧化还原电对的电势的相对差值，因此其它宽禁带半导体氧化物也引起了当今科学家们的注意。而将不同的半导体氧化物复合，制成具有核一壳结构的复合电极，也取得了一定的效果，例如ZnO／Ti02、ZnO／Sn02、SnO2／ZnO、A120／Ti02等复合电极(X／Y，X代表壳，Y代表核)。这主要是由于适当厚度的壳的形成，抑制了电子的复合，提高了DSSC的性能。报道的ZnO／TiOz电极在81．0mW／cm2白光的照射下，取得短路电流密度21．3mA／cm2，开路电压712mV，总能量转换效率9．8％的效果。此外，关于电子的传输理论以及在多孔膜中的渗透有不同的报道，像跳跃理论、隧穿效应、扩散理论等，这都还需要科学界的进一步的验证、研究和完善。薄膜的制备方法主要有刮涂法、溶胶一凝胶法、水热法、丝网印刷法等，有时往往多种方法同时使用。此外在制备薄膜的过程中，对Ti02薄膜电极作一些修饰，可明显改善DSSC的光电性能，例如通过用TiCl4、HCl、异丙氧醇钛等处理。3.2染料分子染料是DSSC的核心材料之一，它的主要作用是对太阳光的吸收，并把光电子传输到Ti02的导带上，其性能的优劣对DSSC光电转化效率起着决定性的作用。敏化染料一般要符合以下几个条件：1.有尽可能宽的波长响应范围和尽可能大的摩尔消光系数。2．具有羧酸根、膦酸酯等强吸附基团，使其能牢固地自组装在半导体氧化物薄膜的表面。3.激发态能级要位于半导体氧化物导带底的能级之。4.染料的氧化还原电势要尽可能地高，这样染料阳离子才能够更有效地与电解质中的电子给体发生反应，获得再生。5.要有足够的稳定性，这样才能保证DSSC长的使用寿命。无机染料一般是指金属有机络合物。其中研究最多的是钌一多吡啶络合物。直到今天，以N3、N719和黑染料为敏化剂的电池仍然代表着DSSC的最高效率。近年来，对多吡啶配体进行修饰，有效提高了此类染料的消光系数，并进一步提高了电池的稳定性。开发廉价、高效、稳定的有机染料一直是重要的研究课题。有机染料有天然与人工之分。天然染料可以直接从植物中提取，来源广泛，分离提纯相对容易，如花青素、香可素及其衍生物等。还可以通过对这些天然染料进行修饰来提高其吸光强度和范围，改善其稳定性。3.3电解质的研究染料敏化太阳能电池的电解质溶液中的氧化还原电对一般为I-3/I-，其作用是还原被氧化的染料。高效率的电解质应当具有与染料HOMO轨道相匹配的氧化还原能级和快速的空穴传导能力。目前，最常用、最有效的电解质都含有13-／I一电对，主要得益于其优异的可逆性和动力学性能，且复合反应较慢。电解质从表观形态上大致可以分为液态电解质、准固态电解质和全固态电解质。液态电解质一般由氧化还原电对If／I-、溶剂和添加剂组成。由于它粘度小，离子扩散快，对TiO2多孔膜的浸润性好和渗透能力强，使得液态DSC电池一直保持着最高的效率。人们还设计了一些新颖的电解质体系，如采用原位制备法获得了All3电解质，应用在DSC电池上效率可达5．9％。该电解质的优点是成本低、制备简单、性能优良和环境友好。为了提高电池的稳定性，人们将新型的绿色溶剂——离子液体引入到DSC电池中代替常规有机溶剂。离子液体，几乎不挥发，稳定性好，对大多数无机物、有机物和聚合物有很强的溶解能力。此外，也可以选择含I-的离子液体，起到碘源和溶剂的双重作用。除了离子液体电解质，准固态电解质和全固态电解质的研究也越来越受到重视。一般来讲，准固态电解质是在液体电解质中加入凝胶剂而得到的。这类凝胶电解质从宏观上来看是不流动的固体，但在微观上仍具有液体的特征，一般都有较高的电导率，从长远来看，这种电解质依然存在着溶剂流失和效率下降的问题。总的来说，离子液体电解质和凝胶电解质是比较有应用前景的固态电解质，因为它们表现出较高的光电转换效率，电池的稳定性也得到一定保障。当然，发展高效的全固态DSSC电池是最终的目标。提高效率的关键就是解决电解质在光阳极多孔膜中的填充问题。发展同态一离子液体复合电解质体系也许是一个更为有效、可行的途径。3.4阴极对DSSC性能的影响阴极在染料敏化太阳能电池中也发挥着重要的作用。DSSC在实际的工作中，由于有电流通过阴极，造成极化现象，形成超电势，引起电势的损失，降低了电池的性能。阴极的材料、表面状态、电流密度、温度、电解质的性质和浓度以及溶液中的杂质等都成为影响超电势的因素。为了尽可能地减少超电势引起的电势损失，需要综合考虑各种因素的影响。阴极的制备一般用导电玻璃片作为基体，采用不同方法镀上石墨、铂或导电聚合物等不同材料，其中镀铂的效果较好。镀铂可以起到催化剂的作用，有利于电子与I-的反应，能减少超电势。而关于镀铂的方法也有很多：溅射法、电镀法、热分解法等。热分解法得到的电极，因其有较大的比表面积，形成的铂原子簇可以很好地起到催化的作用，在电极工作时可以产生较大的交换电流密度，引起的电势损失较小并比较稳定，不易受到腐蚀，有望应用到未来的DSSC中。4结束语在当今社会，人们对能源的重视度越来越高。矿物燃料的资源逐渐耗尽以及对环境的影响，促使人们寻找开发新的能源。占地球总能源99%以上的太阳能，具有取之不尽、没有污染等特点，成为新能源开发的重要研究领域。与基于硅材料的固态太阳能电池相比，染料敏化纳米晶太阳能电池具有独特的优越性。如何进一步提高电池的光电转化效率、开发高效的固态电解质，以及寻找更好的光敏感染料，都是染料敏化纳米晶太阳能电池研究领域里有待解决的问题。参考文献：【1】FanQD，WuJH，HuangJun,LinJM.Studyonpropertiesofdye-sensitizedTiO2films.【2】杨术明、李富有、黄春辉.染料敏化纳米晶太阳能电池.化学通报.2002.第五期【3】陈炜、孙晓丹、李恒德、翁端.染料敏化太阳能电池的研究进展.2004.10【4】李斌、邱勇.染料敏化纳米太阳能电池.感光科学与光化学.2000.11【5】杨宏训、黄妙良、韩鹏、姜奇伟、吴子豹、吴季怀.染料敏化太阳能电池研究进展.材料导报。2006.9.20卷.9期【6】于哲勋、李冬梅、秦达、孙惠成、张一多、罗艳红、孟庆波.染料敏化太阳能电池的研究与发展现状.中国材料进展.2009.8.第28卷.第7—8期