國(guó)際納米太陽(yáng)能電源研制技術(shù)新動(dòng)向

1、國(guó)際納米太陽(yáng)能電源研制技術(shù)新動(dòng)向-太陽(yáng)能新能源論文(1)摘 要：該文簡(jiǎn)要介紹了染料敏化納米晶體光電化學(xué)太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)稱NPC電池的開展歷程、組成構(gòu)造、工作原理和性能特點(diǎn)，并著重對(duì)納米晶體光電化學(xué)太陽(yáng)能電池染料敏化劑的技術(shù)特性和研究態(tài)勢(shì)進(jìn)展了討論。在此根底上，提出了一些值得深化研究的問(wèn)題，并分析了其解決對(duì)策。論文關(guān)鍵詞：納米晶體；太陽(yáng)能電池；染料敏化劑 光電化學(xué)太陽(yáng)能電池是根據(jù)光生伏特原理，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體光電器件，是伴隨著半導(dǎo)體電化學(xué)開展起來(lái)的一個(gè)嶄新的科學(xué)研究領(lǐng)域。從1839年Becquerel發(fā)現(xiàn)氧化銅或鹵化銀涂在金屬電極上會(huì)產(chǎn)生光電現(xiàn)象以來(lái)，光電化學(xué)研究倍受關(guān)注。20世紀(jì)

2、60年代，德國(guó)Tributsch發(fā)現(xiàn)染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機(jī)理，成為光電化學(xué)電池的重要根底。1971年Hond's 和Fujishima用TiO2電極光電解水獲得成功，這才開始了具有實(shí)際意義的光電化學(xué)電池的研究。在光電池研究中，大多數(shù)染料敏化劑的光電轉(zhuǎn)換效率比較低1，直到最近的幾項(xiàng)打破性研究才使染料敏化光電池的光電能量轉(zhuǎn)換率有了很大進(jìn)步。1991年，以瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院M.Gratzel教授為首的研究小組采用高比外表積的納米多孔TiO2膜作半導(dǎo)體電極，以過(guò)渡金屬Ru以及Os等有機(jī)化合物作染料，并選用適當(dāng)?shù)难趸瘡?fù)原電解質(zhì)研制出一種納米晶體光電化學(xué)太陽(yáng)能電池Nanoc

3、rystalline Photoelectrochemical Cells，簡(jiǎn)稱NPC電池。這種電池的出現(xiàn)為光電化學(xué)電池的開展帶來(lái)了革命性的創(chuàng)新，其光電能量轉(zhuǎn)換率light-to-electric energy conversion yield在AM 1.5模擬日光照射下可達(dá)7.1%，入射光子-電流轉(zhuǎn)換效率incident monochromatic photon-to-current conversion efficiency，IPCE大于80。此后，半導(dǎo)體光電化學(xué)電池再次成為研究熱點(diǎn)。1993年，Gratzel等人再次報(bào)道了光電能量轉(zhuǎn)換率達(dá)10的染料敏化納米太陽(yáng)能電池，1997年其轉(zhuǎn)換效率

4、到達(dá)了10%11，短路電流為18×10-3A/cm2，開路電壓為720mV。 Gratzel研究小組首先使用聯(lián)吡啶釕-TiO2體系使得光電轉(zhuǎn)換率達(dá)10。雖然它具備穩(wěn)定性好、激發(fā)態(tài)反響活性高、激發(fā)態(tài)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但在近紅外區(qū)的吸收很弱，其譜吸收光譜與太陽(yáng)光譜還不能很好地匹配。因此，尋找新的染料敏化體系，使其吸收范圍擴(kuò)展至近紅外區(qū)，以盡可能地利用太陽(yáng)光能仍是研究方向之一。NPC電池的組成構(gòu)造、工作原理及性能特點(diǎn) NPC電池主要由透明導(dǎo)電基片、多孔納米晶二氧化鈦薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)溶液含超敏化劑和透明電極組成，如其工作原理是，染料分子吸收太陽(yáng)光能后躍遷到激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快

5、速注入到緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子那么很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過(guò)外回路產(chǎn)生光電流。 一般用來(lái)評(píng)價(jià)太陽(yáng)電池的指標(biāo)有，光電轉(zhuǎn)換效率IPCE、短路電流Isc、開路電壓Voc等。在這里我們主要用光電轉(zhuǎn)換效率IPCE來(lái)衡量太陽(yáng)能電池的優(yōu)劣。 研究說(shuō)明，只有嚴(yán)密吸附在半導(dǎo)體外表的單層染料分子才能產(chǎn)生有效的敏化效率，而多層染料會(huì)阻礙電子的傳輸。然而，在一個(gè)平滑、致密的半導(dǎo)體外表，單層染料分子僅能得到1的入射光。因此，染料不能有效地射光是造成以往太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率較低的一個(gè)重要原因。光敏染料分子附在半導(dǎo)體TiO2外表，將進(jìn)步光電陽(yáng)極吸收太陽(yáng)光的才能，被TiO2外表吸附的染料分子越多，那么光吸收效率越高。 對(duì)于入射單色光的光電轉(zhuǎn)換效率IPCE可定義為：IPCE=1.25×103×光電流密度/波長(zhǎng)×光通量= LHEinjc1 式中：LHE為光吸收率；inj為注入電子的量子產(chǎn)率；c為電荷別離率。光吸收效率可進(jìn)一步寫成：LHE=1-10 r() 式中：T為每平方厘米膜外表覆蓋染料的摩爾數(shù)；()為染料吸收截面積。從式中可以看出，TiO2膜的比外表積越大，吸附的染料分子越多