染料敏化太陽能電池

1、染料敏化太陽能電池Dye sensitized solar cell主要類容主要類容DSSC的提出背景及發(fā)展歷程的提出背景及發(fā)展歷程DSSC轉(zhuǎn)化效率的主要參數(shù)轉(zhuǎn)化效率的主要參數(shù)DSSC的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較DSSC的制作原理及工藝流程的制作原理及工藝流程DSSC的技術(shù)現(xiàn)狀和效率分析的技術(shù)現(xiàn)狀和效率分析DSSC的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景1、DSSC的提出背景及發(fā)展歷程 提出背景提出背景1960 年代，年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及及R.Memming發(fā)現(xiàn)染料發(fā)現(xiàn)染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，成為光電化學(xué)電池的重

2、吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，成為光電化學(xué)電池的重要基礎(chǔ)。要基礎(chǔ)。20世紀(jì)世紀(jì)70年代發(fā)展起來的硅，砷化鎵窄禁帶半導(dǎo)體等高效光伏電池效率基年代發(fā)展起來的硅，砷化鎵窄禁帶半導(dǎo)體等高效光伏電池效率基本上大于本上大于18%，但窄禁帶半導(dǎo)體具有嚴(yán)重的光腐蝕現(xiàn)象，需要高純度的半，但窄禁帶半導(dǎo)體具有嚴(yán)重的光腐蝕現(xiàn)象，需要高純度的半導(dǎo)體晶體。成本昂貴，難以大面積推廣和多領(lǐng)域使用。導(dǎo)體晶體。成本昂貴，難以大面積推廣和多領(lǐng)域使用。TiO2等寬禁帶半導(dǎo)體具有較高的光、熱穩(wěn)定性，具有更強(qiáng)的使用范圍。同等寬禁帶半導(dǎo)體具有較高的光、熱穩(wěn)定性，具有更強(qiáng)的使用范圍。同時(shí)價(jià)格低廉，制作成本較低時(shí)價(jià)格低廉，制作成

3、本較低一次性能源枯竭，環(huán)境惡化?？稍偕茉闯蔀楝F(xiàn)在的主流，一次性能源枯竭，環(huán)境惡化?？稍偕茉闯蔀楝F(xiàn)在的主流，DSSC相對(duì)更相對(duì)更加清潔。加清潔。 1、DSSC的提出背景及發(fā)展歷程的提出背景及發(fā)展歷程 發(fā)展歷程發(fā)展歷程19701970年起年起，R.MemmingR.Memming，H.GerischerH.Gerischer，HauffeHauffe，H.TributshH.Tributsh等人大量研究等人大量研究了各種染料敏化劑與半導(dǎo)體納米晶間光敏化作用，研究主要集中在平板電了各種染料敏化劑與半導(dǎo)體納米晶間光敏化作用，研究主要集中在平板電極上，這類電極只有表面吸附單層染料，光電轉(zhuǎn)換效率小于極

4、上，這類電極只有表面吸附單層染料，光電轉(zhuǎn)換效率小于1%1%。19931993年年, Gratzel M., Gratzel M.等人再次研制出光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)等人再次研制出光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)10 %10 %的染料敏化太陽的染料敏化太陽能電池能電池, , 已接近傳統(tǒng)的硅光伏電池的水平。已接近傳統(tǒng)的硅光伏電池的水平。2002 2002 年年, STA, STA建立了迄今為止獨(dú)一無二的面積為建立了迄今為止獨(dú)一無二的面積為200m2 DSC 200m2 DSC 顯示屋頂顯示屋頂, ,使使用用 含有離子液態(tài)聚合物凝膠電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)染料敏化納米晶太陽能電池，含有離子液態(tài)聚合物凝膠電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)染料敏化納米晶太陽

5、能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5.3 % 5.3 % 。目前目前DSSCDSSC的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10%10%以上，據(jù)推算壽命能達(dá)以上，據(jù)推算壽命能達(dá)15152020年，年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/51/51/101/10。 2. DSSC的制作原理及工藝流程 DSSC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料光陽極光陽極對(duì)電極對(duì)電極電解質(zhì)電解質(zhì)染料染料 2. DSSC的制作原理及工藝流程 DSSC工作原理工作原理 導(dǎo)帶中的電子在納米晶網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)胶蠼佑|面(back contact ，BC)后而流入到外電路中：e-(CB)

6、e-(BC) 納米晶膜中傳輸?shù)碾娮优c進(jìn)入TiO2 膜的孔中的I3-離子復(fù)合：I3- + 2e-(CB) 3I-， I3-離子擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子使I-離子再生：I3- + 2e-(CE) 3I-， 染料(S)受光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)（S*）：S + h S* 激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中：S* S+ + e-(CB) I-離子還原氧化態(tài)染料可以使染料再生：3I- + 2S+ I3- + 2S， 導(dǎo)帶中的電子與氧化態(tài)染料之間的復(fù)合：S+ + e-(CB) S， 2. DSSC的制作原理及工藝流程 DSSC工藝流程工藝流程1、電池導(dǎo)電基底的選取、電池導(dǎo)電基底的選取采用氧化銦錫（俗稱

7、ITO）導(dǎo)電玻璃，它是在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎(chǔ)上，利用磁控濺射的方法鍍上一層ITO膜加工制作成的2、光陽極的制備、光陽極的制備將制備好的TIO2納米管，采用勻膠機(jī)涂抹在導(dǎo)電玻璃的固定區(qū)域，然后在擴(kuò)散爐中用450 退火30min。退火后用染料敏化24小時(shí)后用N2吹干，避光儲(chǔ)存。 2. DSSC的制作原理及工藝流程 DSSC工藝流程工藝流程3，對(duì)電極的制備，對(duì)電極的制備將C納米管/Pt電鍍?cè)趯?dǎo)電玻璃上面，加快電子的運(yùn)動(dòng)，提高氧化還原的速率4，DSSC電解液制備電解液制備常用的電解質(zhì)包括液態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)、全固態(tài)等。采用電解質(zhì)將碘和碘化鈉溶于有機(jī)溶液中制備而成。 2. DSSC的制作原理及工藝流程

8、DSSC工藝流程工藝流程5，電池封裝，電池封裝采用熱膜封裝技術(shù)，將電池的四周用絕緣加熱封裝固定。封裝膜不宜太厚，保證電池內(nèi)部接觸良好6，DSSC電解液注入電解液注入 將前面配制好的電解液用直徑100m的針孔將電解液注入到封裝好的DSSC中，完成后即為成品 2. DSSC的制作原理及工藝流程 TiO2TiO2納米管制作納米管制作模板合成法 模板法是利用模板的形態(tài)結(jié)構(gòu)，通過沉積和分解作用來合成與模板具有類似結(jié)構(gòu)的材料，是制備一維納米材料的常用方法；陽極氧化法 ：將純鈦片置于電解溶液(如HF、NH4F(NH4)2SO4或Na2SO4NaF的混合液)中，經(jīng)陽極腐蝕而獲得不同形貌、不同晶化度的TiO2納

9、米管。 2. DSSC的制作原理及工藝流程 TiO2TiO2納米管制作納米管制作水熱法制備二氧化鈦納米管：將TiO2納米粒子與強(qiáng)堿溶液放在一個(gè)密閉的反應(yīng)容器中,通過對(duì)反應(yīng)容器加熱,創(chuàng)造一個(gè)高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境制備TiO2納米管的方法2. DSSC的制作原理及工藝流程化學(xué)法（銀鏡鏡反應(yīng)）在堿性條件下與AgNO3的葡萄糖,得到表面載Ag的二氧化鈦納米管(Ag/TiO2)銀鏡反應(yīng)方程式銀鏡反應(yīng)方程式：CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO+2Ag(NH3)2OH CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-COONH4+2Ag+3NH3+H2O光化學(xué)沉積：在AgNO3溶液中

10、TiO2納米管在紫外光照射下，將Ag+離子還原為Ag單質(zhì)，并沉積在TiO2納米管表面Ag/TiO2 Ag/TiO2 納米管制備納米管制備 2. DSSC的制作原理及工藝流程 染料敏化液的制備技術(shù)染料敏化液的制備技術(shù)TiO2敏化劑可以采用天然染料，常用葉綠素酸酯和類黃酮類染料作為染料敏化劑。類黃酮類，如花青苷，大量地存在與陸地上植物的葉子、果實(shí)和花中，它們的作用是保護(hù)植物免受紫外線的侵害以及吸引昆蟲和鳥類傳授花粉，特別是它們非常穩(wěn)定，可以用來作為納米晶體染料敏化光電池中的天然染料敏化劑。常采用天然葉綠素作敏化劑。也可以，以四苯基卟啉為原料，合成金屬卟啉為敏化劑，合成反應(yīng)式為: 3. DSSC轉(zhuǎn)化

11、效率的主要參數(shù) DSSCDSSC的伏安特性的伏安特性衡量光電化學(xué)太陽能電池的性能主要有衡量光電化學(xué)太陽能電池的性能主要有四四個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)：個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)：(1) 短路光電流短路光電流(ISC)：太陽能電池在短路條件下的工作：太陽能電池在短路條件下的工作電流。此時(shí)，電池輸出的電壓為零。電流。此時(shí)，電池輸出的電壓為零。(2) 開路光電壓開路光電壓(VOC)：太陽能電池在開路條件下的輸：太陽能電池在開路條件下的輸出電壓。此時(shí)，電池的輸出電流為零。出電壓。此時(shí)，電池的輸出電流為零。(3) 填充因子填充因子(FF)：填充因子定義為：填充因子定義為：FF= Pmax / Ioc *VOC。(4) 能量轉(zhuǎn)換效率能

12、量轉(zhuǎn)換效率()：定義為太陽能電池的最大輸出功：定義為太陽能電池的最大輸出功率與入射太陽光的能量率與入射太陽光的能量(Plight)之比。之比。=Pmax/Plight=FF Isc Voc/Plight 3. DSSC轉(zhuǎn)化效率的主要參數(shù) DSSCDSSC轉(zhuǎn)化效率的影響因子轉(zhuǎn)化效率的影響因子1、敏化液的選取敏化液在DSSC中有至關(guān)重要的作用，它可以提高TiO2的光譜，從原來的350nm直接拓寬到整個(gè)可見光光譜，極大的提升了DSSC對(duì)光的吸收效率2、催化效果在DSSC的工作過程中，電解液需要快速的氧化還原反應(yīng)才能提供足夠多的電子來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，一般利用Pt做催化劑 3. DSSC轉(zhuǎn)化效率的主要參數(shù)

13、 DSSCDSSC轉(zhuǎn)化效率的影響因子轉(zhuǎn)化效率的影響因子4、電解液制備5、暗電流影響電解質(zhì)的組成及溶劑配方對(duì)太陽能電池的影響很大。電解質(zhì)中還原劑必須能迅速地還原染料正離子，而自身還原電位要低于電池電位。電解質(zhì)可分為液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)。3、封裝技術(shù)DSSC的封裝有很嚴(yán)格的要求，既要保證電解液不能泄漏，同時(shí)也要保證電池的組成部分接觸良好，封裝用的塑料薄膜不能夠太厚。電池片在反偏壓條件下,沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流暗電流反向飽和電流漏電流 4. DSSC的技術(shù)現(xiàn)狀和效率分析 行業(yè)領(lǐng)軍人物行業(yè)領(lǐng)軍人物 戴松元 博士，研究員，博導(dǎo)。國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）首席科學(xué)家（2006年201

14、1年，中國科學(xué)院新型薄膜太陽電池重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 主任，中國科學(xué)院等離子體物理研究所太陽能材料與工程研究室主任。1994年開始主要從事染料敏化太陽電池研發(fā)工作。近5年來已在國內(nèi)外會(huì)議、期刊上發(fā)表論文150余篇，已申請(qǐng)發(fā)明專利19項(xiàng)，獲授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)，實(shí)用新型專利授權(quán)3項(xiàng)。先后完成中科院院長特別基金、世界實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、973項(xiàng)目、中科院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目和安徽省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目12項(xiàng)等。目前本人和團(tuán)隊(duì)作為首席承擔(dān)單位正在承擔(dān)973項(xiàng)目一項(xiàng)，協(xié)助承擔(dān)863重點(diǎn)課題一項(xiàng)、科學(xué)院和安徽省等項(xiàng)目15項(xiàng)。 5. DSSC的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(1) 壽命長：使用壽命可達(dá)15-20年；(2)

15、 結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；(3) 制備電池耗能較少，能源回收周期短；(4) 生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽能電池的1/51/10，預(yù)計(jì)每蜂瓦的電池的成本在10元以內(nèi)。(5) 高清潔，生產(chǎn)過程中無毒無污染；(6)質(zhì)量輕，便于攜帶。(7)透光率高光電轉(zhuǎn)換效率比較低；目前所用的電解質(zhì)缺陷比較多:良好電解質(zhì)的制備有待提升，研究一種準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，既可以克服液態(tài)電解質(zhì)DSSC漏液，不易密封等缺陷，又解決了全固態(tài)電解質(zhì)DSSC與光陽極的接觸問題及傳輸效率低下等問題。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 5. DSSC的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較 硅系太陽能電池染料敏化太陽能電池 工作原理光生電子和

16、空穴的產(chǎn)生、傳輸都在硅片中進(jìn)行光生電子和空穴由染料產(chǎn)生，分別經(jīng)二氧化鈦電極和電解質(zhì)傳遞半導(dǎo)體純度要求很高，硅純度至少要達(dá)到99.999%以上純度要求較低成本成本高高低，是多晶硅太陽能電池的低，是多晶硅太陽能電池的1/5左右左右可制備性制備條件要求高容易制備光照角度角度增大，效率降低基本上角度增大，效率升高；在0-75的角度范圍內(nèi)隨光照角度增大，效率增大吸收弱光的能力弱強(qiáng)對(duì)溫度的敏感性多晶硅：敏感；薄膜硅：不敏感不敏感顏色單一豐富透明性不透明透明柔性化、輕質(zhì)化可以容易理論光電轉(zhuǎn)換效率28%33%應(yīng)用范圍廣泛非常廣泛 6. DSSC的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景 發(fā)展前景發(fā)展前景 染料敏化太陽能電池具有生產(chǎn)成本低、制備工藝簡單、可大批量生產(chǎn)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，加之中國土地面積廣，尤其西北地區(qū)光照強(qiáng)烈，決定