染料敏化太陽電池

1、染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cell，簡稱DSC或DSSC） 12染料敏化太陽能電池（染料敏化太陽能電池（DSSCDSSC）DSSCDSSC的技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)DSSCDSSC發(fā)展簡介發(fā)展簡介3 1提高提高DSSCDSSC光電效率的研究光電效率的研究3 33 4DSSCDSSC的組成及工作原理的組成及工作原理3 2DSSCDSSC制備流程制備流程3 5DSSCDSSC產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀3 6l 目前，DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在13以上，壽命能達(dá)1520年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/51/10。低成本是DSSC的突出優(yōu)勢。3DSSC發(fā)展簡介發(fā)展簡

2、介l 1991年，Grtzel M.于Nature上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽能電池(DSSC)的文章，以較低的成本得到了7%的光電轉(zhuǎn)化效率， 為利用太陽能提供了一條新的途徑。l 1997年，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了10% 11%，短路電流達(dá)到18 mA/cm2,開路電壓達(dá)到720 mV。l 1998年，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料替代液體l 2013年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (Michael Grtzel)的研究小組、英國牛津大學(xué)和日本桐蔭橫濱大學(xué)的研究小組，分別獨(dú)立開發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率超過15的固體型染料敏化太陽能電池。 電解質(zhì)的全固態(tài) Grtzel 電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到33

3、%，從而引起了全世界的關(guān)注。生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；制備電池耗能較少，能源回收周期短；制備電池耗能較少，能源回收周期短；制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣；制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣；在各種光照條件下使用；在各種光照條件下使用；光的利用效率高；光的利用效率高；對光陰影不敏感對光陰影不敏感4優(yōu)優(yōu) 勢勢5DSSC的組成的組成6葉綠體的結(jié)構(gòu)納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于葉綠體的內(nèi)囊體，起著支撐敏化劑染料分子、增加吸收太陽光的面積和傳遞電子的作用。敏化劑染料分子相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素，起著吸收太陽光光子的作用。DSSC和植物的光合作用7DSSC的工作原理的工作原理光

4、電陽極光電陽極: Dye + hDye* (染料激發(fā)染料激發(fā)) Dye*Dye+-(TiO2)(產(chǎn)生光電流產(chǎn)生光電流) Dye+1.5I Dye+0.5I3-(染料還原染料還原)陽極發(fā)生的凈反應(yīng)為陽極發(fā)生的凈反應(yīng)為: 1.5I+0.5I3-+-(TiO2)對電極對電極: 0.5I3-+-(Pt)1.5I(電解質(zhì)還原電解質(zhì)還原)整個電池的反應(yīng)結(jié)果為整個電池的反應(yīng)結(jié)果為: -(Pt)+-(TiO2)(光電流光電流)8+.9太陽電池受載特性曲線太陽電池受載特性曲線（1）短路電流（Isc )：當(dāng)太陽電池的 輸出端短路時（V=0)。與入射光強(qiáng) 度成正比。（2）開路電壓（Voc ) ：當(dāng)太陽電池的 輸出端

5、開路時（I=0).（3）填充因子：接上負(fù)載R時，所得的 負(fù)載I-V曲線如圖。當(dāng)負(fù)載Rm使功率輸出為最大時，對應(yīng)的最大功率 Im、Vm：最佳工作電流和最佳工作電壓。填充因子 FF愈大則輸出功率愈高；FF取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度、串聯(lián)和并聯(lián)電阻等DSSC的評價技術(shù)指標(biāo)的評價技術(shù)指標(biāo)mmmVIP SCOCmmSCocmIVIVIVPFF10（4）太陽電池轉(zhuǎn)換效率（ ）：最大輸出功率與照射到 太陽電池的總輻射能（Pin）之比。首要的關(guān)鍵指標(biāo)：決定著電池的成本、質(zhì)量、材料 消耗、輔助設(shè)施等許多因素inSCOCinmPFFIVPP111213重點研究的三大方面提高提高DSSCDSSC光電效率的研究光

6、電效率的研究14性能優(yōu)的敏化劑：釕的多吡啶配合物性能優(yōu)的敏化劑：釕的多吡啶配合物（* * 較強(qiáng)的可見光吸收、良好的光電化學(xué)性能、激發(fā)態(tài)穩(wěn)定）較強(qiáng)的可見光吸收、良好的光電化學(xué)性能、激發(fā)態(tài)穩(wěn)定）15161718192021Coupled semiconductor(耦合式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體)Capped semiconductor(核殼式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體)2223重點研究的三大方面提高提高DSSCDSSC光電效率的研究光電效率的研究242 氧化物半導(dǎo)體薄膜（1）TiO2納米晶（用的最多、效率最高） 優(yōu)點：含量豐富、價格便宜、無毒、穩(wěn)定、抗腐蝕性好 一般采用銳鈦型TiO2。 易實現(xiàn)對TiO2晶型和粒徑的有效控制多

7、孔薄膜制備法：浸漬法、旋涂法、絲網(wǎng)印刷法、濺射法、 水熱反應(yīng)法、醇鹽水解法、高溫溶膠噴射沉積、等離子噴涂等粉體制備方法：溶膠-凝膠法、TiCl4水解法、電化學(xué)等 *微觀結(jié)構(gòu)（孔徑氣孔率）25*ZnO一維結(jié)構(gòu)一維結(jié)構(gòu)(ad) silicon substrate(eh) substrateD.-I. Suh et al. Chemical Physics Letters 442 (2007) 348353 26重點研究的三大方面提高提高DSSCDSSC光電效率的研究光電效率的研究271 電解質(zhì)體系 作用： （1）復(fù)原染料，傳輸電荷 （2）引起半導(dǎo)體、染料和氧化還原對能級的改變， 導(dǎo)致體系動力學(xué)特性

8、變化，從而對光電壓和 轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生很大影響。 28DSSC的電解質(zhì)按物理狀態(tài)分為的電解質(zhì)按物理狀態(tài)分為液態(tài)電解質(zhì)、液態(tài)電解質(zhì)、 準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì) 。 關(guān)鍵：氧化還原電對 （1）快速與陰極電子反應(yīng)，減少電子在陰極的積累； （2）對陽極光電子反應(yīng)活性低，減少暗反應(yīng)； （3）氧化還原電勢與染料能級匹配，能迅速還原氧 化態(tài)染料，減少注入電子與之的反向復(fù)合 293031DSSC制備流程323334353637最新進(jìn)展最新進(jìn)展 鈣鈦礦基的有機(jī)無機(jī)混合結(jié)晶材料鈣鈦礦基的有機(jī)無機(jī)混合結(jié)晶材料CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3作為敏化材料作為敏化材料首次實現(xiàn)了可與結(jié)晶

9、硅型太陽能電池相匹敵的轉(zhuǎn)換效率首次實現(xiàn)了可與結(jié)晶硅型太陽能電池相匹敵的轉(zhuǎn)換效率38 這種結(jié)構(gòu)的DSSC的前身是日本桐蔭橫濱大學(xué)教授宮坂力的研究小組于2009年4月提出的太陽能電池。當(dāng)時，很多人嘗試采用無機(jī)半導(dǎo)體微粒量子點作為敏化材料，制造“量子點增感型太陽能電池”。宮坂指出“量子點效率低，并且存在電流反向流動等許多課題”。因此，將目光轉(zhuǎn)向了CH3NH3PbI3。CH3NH3PbI3不僅能高效吸收從可見光到波長800nm的廣譜光，還具有能在TiO2等多孔質(zhì)材料上直接化學(xué)合成的特點。非常適合涂布工藝。 不過，宮坂等人在2009年試制時，采用了傳統(tǒng)的DSSC電解液，轉(zhuǎn)換效率只有3.8。 394015

10、.36%15.36%19.3%(2014)19.3%(2014)20%(2015)20%(2015)41宮坂表示宮坂表示:此次的太此次的太陽能電池陽能電池采用現(xiàn)在采用現(xiàn)在的材料和的材料和技術(shù)，轉(zhuǎn)技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率能換效率能達(dá)到達(dá)到17。將來，還將來，還能夠達(dá)到能夠達(dá)到21隨著工藝不斷優(yōu)化，轉(zhuǎn)換效率僅三四年時間就猛增至20。42 表面改性、離子摻雜等，提高染料吸光能力、與納米材料能帶匹配表面改性、離子摻雜等，提高染料吸光能力、與納米材料能帶匹配 形貌控制、提高染料吸附量、能帶匹配度、電子傳輸速度等形貌控制、提高染料吸附量、能帶匹配度、電子傳輸速度等 提高電子傳輸速度提高電子傳輸速度43瑞士的Sola

11、ronix和澳大利亞的Dyesol是目前世界上規(guī)模最大的兩家以DSC為主要經(jīng)營方向的公司，產(chǎn)品涵蓋了包括TiO2漿料、染料、電解液、對電極和封裝材料等在內(nèi)的制備DSC所需基本原料及相關(guān)的制備和測試設(shè)備。 瑞士Solaronix公司用17個10cm *10cm的單元電池組成了集成化電池。 澳大利亞的STI公司已開始出售以BIPV為名的DSC陣列。2001年，Dyesol Industry(原STI)建造了世界上第一個面積為200m的DSC電池示范屋頂，展示了DSC在建筑行業(yè)的應(yīng)用前景。 歐洲方面，英國Cardiff的G24innovation和以色列的3GSolar新興公司備受矚目。 G24in

12、novation受惠于美國Konarka公司的roll-to-roll工藝，于2006年建成了20MW的柔性DSC生產(chǎn)線。已開發(fā)出以透明導(dǎo)電涂層聚合物薄膜為基底的柔性DSC產(chǎn)品。并與香港一家公司合作，開始出貨結(jié)合了DSC充電模塊的背包。這是世界上首個基于DSC的商品。 3GSolar也已經(jīng)可以小規(guī)模生產(chǎn)基于玻璃基底的DSC模塊。該公司主要致力于DSC模塊的保護(hù)以及穩(wěn)定性改良，并預(yù)計經(jīng)過20102013年新的一輪融資和試產(chǎn)后，在2014年推出其第一代商品化模塊。 最近，在愛爾蘭新成立的Solarprint，也準(zhǔn)備從自身具備優(yōu)勢的印刷方面切入DSC的商品化中。DSSC國際產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀44 亞洲方面，

13、日本一直是DSC研究和商品化的大力倡導(dǎo)者。大型集團(tuán)公司如Sharp和Sony一直在大力支持DSC的研發(fā)，目前DSC模塊的最高效率也是由這兩家公司先后保持的。 依托于Toin大學(xué)Miyasak研究組的Peccell公司，則比較有希望在近期推出柔性DSC模塊。 日本的AISIN精機(jī)公司和豐田中央研究所聯(lián)合開發(fā)了用作建筑光伏一體化的DSC，將大約30個單塊電池組24cm*24cm的單元，8片單元再組合為一個模塊。（在單位時間，單位面積的發(fā)電量超過了硅基太陽能電池，今后的市場前景十分樂觀） Fujikura公司也一直致力于室外DSC 模塊的效率和穩(wěn)定性研究，并指出目前DSC 產(chǎn)業(yè)化的主要問題在于降低染料和光陽極漿料的價格。 韓國的Timo公司和Acrosol