68染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池DSSC1.2.3.5.引言DSSC原理DSSC制作工艺结语目录6.参考文献4.DSSC应用1.引言1.随着能源危机与环境污染问题越来越严重，社会各界对能源消耗的可持续性发展日益重视，尤其引起了各国政府对清洁的、可再生能源的关注和青睐。2.太阳能作为一种新能源,具有取之不尽,用之不竭,就地取材,对环境友好等特点。太阳能电池是太阳能利用的重要途径之一国际空间站太阳能电池板多晶硅太阳能电池DBCA硅系太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池纳米晶太阳能电池有机太阳能电池染料敏化纳米晶太阳能电池DSSCSolarCells分类单晶硅，多晶硅，非晶硅1991年，由瑞士的科学家Grätzel等人采用二氧化钛纳米粒子作为染料载体，制作了染料敏化太阳能电池，将其转化效率提高到7%，继而迎来了DSSC的新时代。电解质TiO2光阳极对电极敏化剂DSSC2.DSSC原理---组成部分N3,N719Pt,CI-/I3-纯TiO2,掺杂修饰•敏化剂：染料分子的作用就是吸收太阳光，将基态电子激发到高能态，然后再转移到外电路，它的性能是决定电池转换效率的重要因素之一。在染料敏化太阳能电池的发展中，钌的配合物一直起着重要的作用，所以将染料敏化剂分为多吡啶配合物敏化剂、有机染料敏化剂和窄带隙半导体敏化剂三类。•电解质：在染料敏化太阳能电池中起着传输电子和再生染料的作用。对纳晶染料敏化太阳能电池的电解质而言，首先要求具有合适的与染料相匹配的氧化还原能级，其次电解质中离子输运要快。目前，最常用的电解液是将I-/I3－溶解在有机溶剂中。•对电极：作为完整的电流回路，必须有一个对电极还原I3-离子，从而实现电子在回路的传导，该反应越快，光电响应越快。目前采用的对电极主要有载铂的导电玻璃和碳材料。•光阳极：它是制备在导电玻璃上的纳米晶半导体薄膜，是DSSC的关键部分。目前研究的电极材料只要有TiO2,ZnO,SnO2等，其中TiO2作为光阳极研究最为广泛。TiO2优点纳米TiO2具有合适的禁带宽度，化学稳定好、无毒，具有优越的光电介电效应，已在许多方面获得了应用。缺点作为光阳极时电子与空穴有一定的复合，因此需要对其进行改性研究，其中掺杂TiO2的研究占有很大部分。TiO2光阳极多孔的纳米晶TiO2电极结构极大的提高电极的染料吸附量，同时增加光线在薄膜电极中的散射性能，提高光的吸收效率,同时溶液渗透性能好，几乎每个纳米颗粒都与电解质接触，这为光生电子、空穴进行的界面氧化和还原反应提供了有利的坏境。DSSC中电流产生机理对电极电解质TiO2光阳极①染料Dye受到可见光激发由基态跃迁到激发态(Dye*)：②激发态染料分子将电子注入到半导体的导带(CB)中：③I-离子还原Dye+使染料再生：④导带中的电子与Dye+之间发生复合：⑤导带(CB)中的电子在二氧化钛网络中传输到导电玻璃后接触面(BC)后而流入到外电路中：⑥在二氧化钛薄膜中传输的电子与进入二氧化钛膜间隙的I3-离子复合：⑦I3-离子扩散到对电极(CE)上,得到电子，使I-再生：具体过程如下：和其他太阳能电池不同，在染料敏化太阳能电池中，光的捕获和光生载流子的传输是由敏化剂和TiO2半导体分别完成的。DSSC输出参数（1）短路光电流(Isc)：电路处于短路时的光电流，它等于光子转换成电子一空穴对的绝对数量，此时，电池输出的电压为零。（2）开路光电压（Voc）：电路处于开路时的光电压称，此时，电池的输出电流为零。（3）填充因子(FF)：电池具有最大输出功率（Pmax）时的电流（Iopt）和电压（Vopt）的乘积与短路光电流和开路光电压的乘积的比值称为填充因子；实际上，填充因子在I-V曲线上是两个长方形面积之比。（4）光电能量转化效率（η）：电池的最大输出功率与输入光的功率(Pin)的比值称为光电能量转化效率。光电流-光电压曲线Isc和Voc是电池最重要的两个参数，较大的Isc和Voc值是产生较高能量转化效率的基础。对于两者都相同的两个电池，起作用的就是填充因子了，填充因子高的电池，能量转化效率就高。合成纳米晶TiO2NH3气氛中中压灼烧得到N-TiO2以N719为敏化剂铂电极为对电极分别组装成染料敏化太阳能电池3.DSSC制作工艺纳米晶TiO2多孔薄膜电极的制备方法目前制备纳晶TiO2多孔薄膜电极的方法主要有两种:•(1)采用商品化的TiO2纳米颗粒为原料，加入一定的溶剂制成TiO2胶体，通过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO2薄膜电极:•(2)以钛盐作原料，采用溶胶一凝胶水热法制备TiO2胶体，之后通过刮涂、丝网印刷等技术制备TiO2薄膜电极。氮掺杂TiO2的制备方法气氛下灼烧法：将TiO2或其前驱体在空气或含氮气氛(NH3，N2或是NH3，与Ar气的混合气体)中锻烧，气体受热分解出高活性的N离子渗入TiO2表面，取代TiO2分子中少量的氧原子，生成TiO2-xNx型化合物，得到掺氮产品。这种制备工艺是2001年Asahi提出的，目前较为常用。水解沉淀法：先将氨水滴加到Ti(SO4)2水溶液中制得水解沉淀产物，再将洗净的沉淀干燥后，在400℃煅烧1h，制备出氮掺杂二氧化钛。溶胶-凝胶法：将钛酸盐或钛合物与氨水等含氮物质反应制备出溶胶-凝胶，再干燥灼烧的方法制备出N掺杂TiO2。还有机械化学法，激光脉冲法等。204060801001201401600123456789Phtocurrent(mA/cm2)Time(s)lightonoffN-TiO2TiO2TiO2与N-TiO2光阳极性能对比0.00.10.20.30.40.50.60.702468Photocurrent(mA/cm2)Photovoltage(V)N-TiO2TiO2I-T曲线I-V曲线工作电极Isc(mA/cm2)Voc(V)FFη(%)TiO2N-TiO25.5787.7460.6480.7030.6610.5765.977.84结果讨论I-V曲线表明了N-TiO2比TiO2光阳极的短路光电流和开路光电压都高，电子传输速度更快，有利于电子与空穴分离，光电转换效率(η=7.84)比纯二氧化钛(η=5.97)有了显著提高，光电性能得到明显改善，且I-T曲线表明N-TiO2比TiO2的电流响应更敏感，二者曲线均较平稳，均有较好的稳定性。应用•全球染料敏化太阳能电池（DSSC）的产业先驱者--G24Innovations（G24i）总部位于美国加州。全球首批商用DSSC由G24i公司研发并上市，其组件可替代传统的硅太阳能电池，且成本更低，更轻便耐用，在地形和光线条件受限的地方均能适用G24i公司采用滚对滚(roll-to-roll）技术在柔性基板上流水线快速制作，而国内企业目前还没有掌握染料敏化太阳能电池生产线技术。目前已有美国G24i公司、澳大利亚DYESOL公司、德国BOSCH公司、日本SONY公司等多个国际大企业与中国长春应化DSSC研究组建立了密切合作关系，致力于使这种新型太阳电池应用于汽车、电动工具、便携电子产品等多个领域。美国G24i公司利用该成果生产的可用于日常生活的太阳电池，仅有10张A4纸重叠在一起那么厚，也像纸一样柔软，且绚丽美观，即使在普通灯光下，这种电池也能发挥作用。SolarpoweredkeyboardGraetzelsolarbag产品展示结语•染料敏化太阳能电池虽然引起了各国科学家的关注，但是还存在着一些制约因素，比如半导体材料表面的缺陷，能量损失，染料稳定性有待提高，液态电解质的封装问题，固态电解质的电导率低等，导致总的能量转换率低，随着人们对清洁能源的强劲需求，DSSC简单的制作工艺，较低的成本，以及潜在的优越性能，将使其成为未来太阳能电池的主导。参考文献[1]O’Regan,B.;Grätzel,M.Alow-cost,high-efficiencysolarcellbasedondye-sensitizedcolloidalTiO2films[J].Nature,1991,353-737.[3]康志敏，郝彦忠，王庆飞，童汝亭，戴松元，固态TiO2纳米太阳电池研究进展[J].化学研究与应用，2003,15:31-35.[4]王瑞斌,戴松元,王孔嘉.Sol-Gel法制备纳米TiO2过程中水解pH值的影响及其性能表征[J].功能材料,2002,3:296-297.[5]王瑞斌,戴松元,王孔嘉.纳米TiO2对染料敏化纳米薄膜太阳电池的影响[J].中国科学院研究生学报,2001,18:28-30.[6]X.Wang,Y.Yang,etal.PreparationofTiNxO2-xphotoelectrodeswithNH3undercontrollablemiddlepressuresfordye-sensitisedsolarcells[J].Eur.J.Inorg.Chem.2009,3481-3487.[2]Grätzel,M.Photovoltaicandphotoelectrochemiealconversionofsolarenergy[J].Philos.T.Roy.Soe.A,2007,365:993-1005.[7]黄雪峰.水热法制备N掺杂纳米TiO2及其光催化活性研究[J].环境化学,2006(1):16-19.