染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池_圖文

1、 V o l 47 N o 4 染料與染色 35 DYESTU FFS AND COLORAT I ON 第 47 卷第 4期 有電導(dǎo) 率高、質(zhì)輕、穩(wěn)定 等優(yōu) 點(diǎn) 等 36 。 2008 年 , W u 定影響, 尋找合適大小的孔徑是目前有待繼續(xù)研究的 一個(gè)問(wèn)題; T iO2 納米顆粒尺寸太小時(shí) , 晶界勢(shì)壘 會(huì)阻礙載流子傳輸; 較大時(shí), 光散能力強(qiáng), 有利于染 料分子對(duì)光的吸收; 但如果太大, 比表面積就會(huì)降 低, 染料的吸附率降低。因此, 尋找最 佳的納米尺 寸, 使之有較大的表面粗糙度和較強(qiáng)的光散射性能是 待研究的問(wèn)題。綜上所述 , 改善 T iO2 薄膜的微結(jié)構(gòu) 參數(shù)是提高其性能指標(biāo)的

2、根本途徑。 T i O2 薄膜的微 結(jié)構(gòu)參數(shù)可以在制備過(guò)程中進(jìn)行控制和優(yōu)化 , 但有時(shí) 受制備過(guò)程條件的限制 , 不能達(dá)到所需要的需求, 需 要在制備后進(jìn)一步優(yōu)化。化學(xué)修飾方法靈活簡(jiǎn)便, 因 此是對(duì)微結(jié)構(gòu)改善和優(yōu)化的有效手段。此外 , 制備復(fù) 合半導(dǎo)體多孔薄膜電極也是研究的重點(diǎn)。常用的半導(dǎo) 體化合物有 CdS 、 ZnO、 PbS 及 A l2 O3 等。 ( 2 對(duì)電極 由于傳統(tǒng)的鉑對(duì)電極價(jià)格昂貴, 電荷傳輸電阻較 大, 實(shí)際應(yīng)用受到了限制。使用石墨、炭黑、碳納米 管、活性碳等碳材料作為對(duì)電極, 雖使成本降低, 但 研究仍處于初期階段, 制作工藝仍需進(jìn)一步優(yōu)化。 ( 3 上轉(zhuǎn)換發(fā)光層 上轉(zhuǎn)換

3、發(fā)光層拓寬了電池的吸收光譜 , 且其大顆 粒具有光散射性和反射性, 提高了光子的捕獲率。但 是上轉(zhuǎn)換發(fā)光層仍存在吸光范圍單一和轉(zhuǎn)換效率較低 等不足, 這將是下一步研究的重點(diǎn)。 ( 4 電解質(zhì)體系 高分子固態(tài)和準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)雖然解決了液態(tài)電解 質(zhì)存在的易揮發(fā)、封裝困難以及穩(wěn)定性差等缺點(diǎn), 但 仍存在以下問(wèn)題: 電導(dǎo)率低; 浸潤(rùn)性差; 與 Ti O2 膜表面的親和性差 ; 高結(jié)晶性。致使所組裝 將聚吡咯納米顆粒附著于導(dǎo)電玻璃上作為對(duì)電 極, 光敏染料采用 N719 , DSSC 的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 7 7 % 。因此 , 進(jìn)一步改進(jìn)和完善多孔、 高比表面積碳 基材料和高分子聚合物導(dǎo)電材料等非金屬類對(duì)

4、電極材 料的制備工藝, 提高其電性能 , 是下一步的研究重點(diǎn)。 6 上轉(zhuǎn)換發(fā)光層 作為陽(yáng)極染料敏化納米晶 T iO2 薄膜對(duì)光的吸收 范圍在 290 780 nm 之間。因此, DSSC 對(duì)占太陽(yáng)光 全部能量高達(dá) 43 % 的紅外光幾乎沒(méi)有吸收。研究發(fā) 現(xiàn), 利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料將紅外光轉(zhuǎn)換為電池可以吸 收利用可見(jiàn)光和近紫外光, 是提高電池對(duì)紅外光的吸 收, 從而提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)新途徑。上轉(zhuǎn) 換發(fā)光是指當(dāng)采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的激發(fā)光 ( 如紅外光 照射摻雜稀土離子的樣品時(shí), 發(fā)射出波長(zhǎng)較短的光 (如可見(jiàn)光 的現(xiàn)象。李樹(shù)全等 37 , 38 采用水熱法和高 溫煅燒法分別制備了摻 E r3+ 和

5、H o3+ 的 T i O2 上轉(zhuǎn)換 發(fā)光層, 將吸收光譜拓展到了紅外光, 且其大顆粒又 具有光散射性和反射性, 增加了光在薄膜中的傳播路 程, 提高了光子的捕獲率。經(jīng)過(guò)優(yōu)化, 在 80mW / c m 高達(dá)未加入上轉(zhuǎn)換層電極效率的 2 6 倍和 4 6 倍。 2 紅外光照射下, 上轉(zhuǎn)換發(fā)光電極的光電轉(zhuǎn)換效率分別 7 前景展望 DSSC 以其優(yōu)良的性能、低廉的成本以及分子的 可修飾性而備受矚目。雖然 DSSC 的研究已經(jīng)取得了 一定的進(jìn)展, 但其光電轉(zhuǎn)換效率仍然有著很大的改善 空間。下面從納米晶半導(dǎo)體薄膜、對(duì)電極、上轉(zhuǎn)換發(fā) 光層、電解質(zhì)體系及染料光敏化劑等幾個(gè)方面對(duì)當(dāng)前 DSSC 研究中存在的

6、問(wèn)題及對(duì)策進(jìn)行分析, 并對(duì)今后 的研究方向進(jìn)行展望。 ( 1 納米晶半導(dǎo)體薄膜 單層吸附染料的 T iO2 薄膜對(duì)入射光的吸收率 小; 多層吸附染料的 T iO2 薄膜, 內(nèi)層染料會(huì)對(duì)外層 染料分子的傳輸起到阻礙的作用, 因此, 可以通過(guò)增 加表面粗糙度來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。增加表面粗糙度可以 吸附更多的單層染料分子, 入射光可以在粗糙表面多 次反射, 從而提高對(duì)光的吸收率。為了提高表面粗糙 度, 可以使用分散均勻、高比表面、高結(jié)晶度、高電 子傳輸能力的半導(dǎo)體納米管、線、桿陣列膜或自組裝 陣列膜來(lái)代替平整膜, 提高染料在 T i O2 薄膜表面的 吸附能力; 14 的 DSSC 的光電流、光電壓及轉(zhuǎn)

7、換效率都低于液態(tài)電 解質(zhì)電池。因此, 在太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和光電 轉(zhuǎn)換效率方面還需要進(jìn)行深入研究。下一步的工作可 以從以下幾個(gè)方面來(lái)改善電解質(zhì)的性能: 子聚合物的結(jié)構(gòu), 優(yōu)化其分子量; 部的結(jié)晶性 , 提高電導(dǎo)率; 納米物質(zhì)進(jìn)行修飾; 物進(jìn)行不同狀態(tài)的摻雜。 ( 5 染料光敏化劑 聯(lián)吡啶釕配合物染料敏化劑價(jià)格昂貴, 合成復(fù) 雜; 而純有機(jī)染料對(duì)環(huán)境的相容性好, 易合成易降 解, 成本較低, 摩爾消光系數(shù)高, 分子結(jié)構(gòu)多樣, 種 類繁多; 而且還具有激發(fā)態(tài)壽命長(zhǎng) , 易于和半導(dǎo)體進(jìn) 改善高分 采用共聚的辦法 在一個(gè)電解質(zhì)體系中使用多種凝膠劑, 降低電解質(zhì)內(nèi) 對(duì)加入電解質(zhì)體系中的 對(duì)不同結(jié)構(gòu)的

8、導(dǎo)電高分子聚合 孔徑的大小對(duì)電解質(zhì)的滲透和擴(kuò)散有一 染料與染色 V o l 47 N o 4 周嫻, 等 染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池 na, l 2008 , 14 ( 15 : 4458- 4467. 2010 年 8月 行界面電荷轉(zhuǎn)移 , 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 可見(jiàn)光譜吸收范圍 較寬。因此, 有關(guān)純有機(jī)染料敏化劑的研究近年來(lái)得 到了迅速發(fā)展。但單色光光電轉(zhuǎn)換效率和電池的光電 轉(zhuǎn)換效率與金屬配合物染料還有一定的差距, 性能還 需要進(jìn)一步地提高。通過(guò)分析 , 可以從以下幾個(gè)途徑 來(lái)解決: 從改善有機(jī)染料分子結(jié)構(gòu)入手, 合成多基 優(yōu)化染料分子的結(jié)構(gòu)來(lái)控制染料與 元的超分子, 每個(gè)基元都能吸收光能, 從

9、而增加吸收 光譜的寬度; Ti O2 界面工藝, 以降低復(fù)合幾率以及團(tuán)聚現(xiàn)象; 電子給體和受體之間的共軛基團(tuán)有待優(yōu)化。例如引入 噻吩基加長(zhǎng)了 橋基體系, 能夠使染料的吸收光譜 紅移 , 吸收光譜更寬; 但是形成的異構(gòu)體, 造成了合 成工藝復(fù)雜化, 并導(dǎo)致染料分子的穩(wěn)定性降低。因此 要繼續(xù)探索即能保證穩(wěn)定性高又能使光譜紅移 , 并具 有寬且強(qiáng)的光譜響應(yīng)的新的優(yōu)化 共軛體系的方法 ; 選擇合理的共敏化的方式, 抑制共敏化體系中各染 料的相互作用, 即能拓寬染料的吸收光譜, 又能使各 染料之間能量匹配。 DSSC 電池具有低成本、高效率的特點(diǎn), 雖然目 前還存在一些問(wèn)題, 但應(yīng)用前景十分廣闊。我們相

10、 信, 通過(guò)相關(guān)研究人員的共同努力, 對(duì)電池各組成部 分的性能進(jìn)一步優(yōu)化, 在不久的將來(lái), 這種太陽(yáng)能電 池將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。 參 考 文 獻(xiàn) 1 鄭冰 , 朱海軍 , 白續(xù)鐸 . 有 機(jī)染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池 J . 化學(xué)進(jìn)展 , 2008, 20 ( 6 : 828- 840 . 2 L i B , W ang L D, K ang B N, et a.l R eview of R ecen t Progress in tu res forD ye S ensit ized Solar C el ls J. Ch e m istry A European Jou r 9 Zhao Y,

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32、 dye sensitized nano crystalline so lar ce lls w ere introduced briefly . The latest research resu lts and status of each co m ponent of solar cells were introduced e mphatica lly , including nano- crysta lline fil m s, electrolyte syste m, dye sensitizer , counter electrode and upconversion lum ine

33、scence . T he research progresses of h igh- mo lecular poly m er gel electro lyte and electr ic high mo lecular poly m er so lid e lectrolyte were ma inly introduced in the part o f e lectro ly te system. F ina lly , the proble m s ex isted in study nowadays w ere d iscussed . T he thoughts and stra

34、 teg ies for i m proving the pho toe lectric conversion e ffic iency w ere suggested and the future developm ent w as overv ie w ed. K ey word s : dye sensitized so lar ce lls ; photoe lectric conve rsion effic iency ; dye sensitizer ; electro lyte ( 上接第 8 頁(yè) ( 收稿日期 : 2010年 4 月 PAN Hua jin ( Physics& Chem is try Sectio n o f Basic Depart m en, t O rdnance Eng ineeri