染料敏化太陽能電池DSSC

1、1染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池2 據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，瑞士材料科技聯(lián)邦實驗室據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，瑞士材料科技聯(lián)邦實驗室（Empa）一個研究小組開發(fā)出一種新的薄膜太陽能電池，）一個研究小組開發(fā)出一種新的薄膜太陽能電池，以以CIGS（銅銦鎵硒）為光電轉(zhuǎn)換材料，用柔軟靈活的高分（銅銦鎵硒）為光電轉(zhuǎn)換材料，用柔軟靈活的高分子聚合物作襯底，其光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到子聚合物作襯底，其光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到20.4%。而此前的世界。而此前的世界紀(jì)錄是該研究小組在紀(jì)錄是該研究小組在2011年年5月實現(xiàn)的月實現(xiàn)的18.7%。 北極星太陽能光伏網(wǎng)：北極星太陽能光伏網(wǎng)：Solar3DSolar3D公司開發(fā)了三維太陽能電

2、公司開發(fā)了三維太陽能電池技術(shù)。池技術(shù)。20112011年，該公司宣布，其最新設(shè)計的三維硅太陽年，該公司宣布，其最新設(shè)計的三維硅太陽能電池轉(zhuǎn)化率超過能電池轉(zhuǎn)化率超過25%25%。 2013年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (Michael Gratzel)的研的研究小組、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的固體型染料敏化太陽能電池。電池。 2013年年1月威鋒網(wǎng)報道：英國倫敦帝國理工學(xué)院和麥克月威鋒網(wǎng)報道：英國倫敦帝國理工學(xué)院和麥克林公司向人

3、們展示了他們合作研究的項目，項目顯示他們設(shè)林公司向人們展示了他們合作研究的項目，項目顯示他們設(shè)計的光面板可以將太陽能轉(zhuǎn)換率突破計的光面板可以將太陽能轉(zhuǎn)換率突破 50% 。新技術(shù)基于多。新技術(shù)基于多接面面板技術(shù)，采用了一種被稱為接面面板技術(shù)，采用了一種被稱為“ InAlAsSb 四元合金四元合金”作為吸收高頻率光波的材質(zhì)。作為吸收高頻率光波的材質(zhì)。 3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

4、14DSSC發(fā)展簡介發(fā)展簡介 目前目前，DSSC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13以上，壽命以上，壽命能達(dá)能達(dá)1520年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/51/10。低成本是低成本是DSSC的突出優(yōu)勢。的突出優(yōu)勢。 1991年年，Grtzel M.于于Nature上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽能電池（能電池（ Dye-Sensitized Solar Cells，簡稱簡稱DSSC ）的文章，以較低的成本得）的文章，以較低的成本得到了到了7%的光電轉(zhuǎn)化效率，的光電轉(zhuǎn)化效率， 為利用太為利用太陽能提供了一條新的

5、途徑。陽能提供了一條新的途徑。 1997年年，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了了10%11%，短路電流達(dá)到，短路電流達(dá)到18 mA/cm2,開開路電壓達(dá)到路電壓達(dá)到720 mV； 1998年年，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料替代液體電解質(zhì)的全，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料替代液體電解質(zhì)的全固態(tài)固態(tài) Grtzel 電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到33%，從而引起了全世界的關(guān)注。從而引起了全世界的關(guān)注。5其他優(yōu)勢其他優(yōu)勢生產(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

6、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6DSSC的組成的組成 陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜染料敏化半導(dǎo)體薄膜陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃鍍鉑的導(dǎo)電玻璃 電解質(zhì)：I3-/I- TiO2膜膜:520um導(dǎo)電玻璃mmmVIP7葉綠體的結(jié)構(gòu)葉綠體的結(jié)構(gòu)納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于葉綠體的內(nèi)囊體，起當(dāng)于葉綠體的內(nèi)囊體，起著支撐敏化劑染料分子、著支撐敏化劑染料分子、增加吸收太陽光的面積和增加吸收太陽光的面積和傳遞電子的作用。傳遞電子的作用。敏化劑染料分子相當(dāng)于葉敏化劑

7、染料分子相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素，起著吸綠體中的葉綠素，起著吸收太陽光光子的作用。收太陽光光子的作用。DSSC和植物的光合作用和植物的光合作用8染料敏化太陽能電池工作原理圖 (1)染料受光激發(fā)由基態(tài)（S）躍遷到激發(fā)態(tài)（S*）： (2)激發(fā)態(tài)染料分子(S*)將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(cb)上： (4)導(dǎo)帶電子與氧化態(tài)染料的復(fù)合： (6)導(dǎo)帶電子與I3-離子的復(fù)合： (5)導(dǎo)帶電子在納米薄膜中傳輸?shù)胶蠼佑|面（用 BC表示）后，流入到外電路中： (7)I3-離子擴(kuò)散到對電極上得到電子變成I-： (3)I-還原氧化態(tài)染料而使染料再生完成整個循環(huán)： 10太陽電池受載特性曲線太陽電池受載特性曲線（1）短路電

8、流）短路電流（Isc )：當(dāng)太陽電池的：當(dāng)太陽電池的 輸出端短路時（輸出端短路時（V=0)。與入射光強(qiáng)。與入射光強(qiáng) 度成正比。度成正比。（2）開路電壓）開路電壓（Voc ) ：當(dāng)太陽電池的：當(dāng)太陽電池的 輸出端開路時（輸出端開路時（I=0).（3）填充因子：接上負(fù)載）填充因子：接上負(fù)載R時，所得的時，所得的 負(fù)載負(fù)載I-V曲線如圖。當(dāng)負(fù)載曲線如圖。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：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；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

9、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)SCOCmmSCocmIVIVIVPFF11（4）太陽電池轉(zhuǎn)換效率（）太陽電池轉(zhuǎn)換效率（ ）：最大輸出功率與照射到）：最大輸出功率與照射到 太陽電池的總輻射能（太陽電池的總輻射能（Pin）之比。）之比。首要的關(guān)鍵指標(biāo)：決定著電池的成本、質(zhì)量、材料首要的關(guān)鍵指標(biāo)：決定著電池的成本、質(zhì)量、材料 消耗、輔助設(shè)施等許多因素消耗、輔助設(shè)施等許多因素12提高提高DSSCDSSC光電效率及降低成本的研究光電效率及降低成本的研究 光陽極材料 染料 電解液 對電極材料131 電解質(zhì)體系電解質(zhì)體系 作用：作用： （1

10、）復(fù)原染料，傳輸電荷）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，）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)特性變化，從而對光電壓和導(dǎo)致體系動力學(xué)特性變化，從而對光電壓和 轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生很大影響。轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生很大影響。 14DSSC的電解質(zhì)按物理狀態(tài)分為液態(tài)電解質(zhì)、的電解質(zhì)按物理狀態(tài)分為液態(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；）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)；）對陽極光電子反應(yīng)活性低，減少暗反

11、應(yīng)； （3）氧化還原電勢與染料能級匹配，能迅速還原氧）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)合化態(tài)染料，減少注入電子與之的反向復(fù)合 152 氧化物半導(dǎo)體薄膜氧化物半導(dǎo)體薄膜（1）TiO2納米晶（納米晶（用的最多、效率最高用的最多、效率最高） 優(yōu)點：優(yōu)點：含量豐富、價格便宜、無毒、穩(wěn)定、抗腐蝕性好含量豐富、價格便宜、無毒、穩(wěn)定、抗腐蝕性好 一般采用銳鈦型一般采用銳鈦型TiO2。 易實現(xiàn)對易實現(xiàn)對TiO2晶型和粒徑的有效控制晶型和粒徑的有效控制多孔薄膜制備法：多孔薄膜制備法：浸漬法、旋轉(zhuǎn)法、絲網(wǎng)印刷法、濺射法、浸漬法、旋轉(zhuǎn)法、絲網(wǎng)印刷法、濺射法、 高溫溶膠噴射

12、沉積等高溫溶膠噴射沉積等粉體制備方法：粉體制備方法：溶膠溶膠-凝膠法凝膠法、TiCl4水解法、電化學(xué)法等水解法、電化學(xué)法等 16效率的影響因素很多：效率的影響因素很多：形貌、表面改性、離子摻雜等：形貌、表面改性、離子摻雜等：主要是影響染料吸附量、能帶匹配度、主要是影響染料吸附量、能帶匹配度、電子傳輸速度等電子傳輸速度等17M.Grtzel, Naure 2001, 414, 338-344.grain size in the range of 1080 nm. 形貌的影響形貌的影響%4 . 10, 75. 065. 08 . 0 7 . 0, / 22162FFVVcmmAIOCSC18ZnO

13、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 19 吸收盡可能多的太陽光； 緊密吸附在納米晶網(wǎng)絡(luò)電極表面； 與相應(yīng)的納米晶的能帶相匹配； 激發(fā)態(tài)壽命足夠長，具有長期的穩(wěn)定性 3.敏化劑敏化劑20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）21吡咯并吡咯二酮顏料吡咯并吡咯二酮顏料22最新進(jìn)展最新進(jìn)展 NoIm

14、age 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NoImage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2315.36%15.36%24 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。 25 2012年牛津大學(xué)研究人員，用年牛津大學(xué)研究人員，用固體型固體型DSSC的的HTM的的“螺二芴化螺二芴化合物合物”取代了液態(tài)電解液，結(jié)果轉(zhuǎn)取代了液態(tài)