染料敏化太陽電池研究進展及應(yīng)用前景實用教案

1、演講(ynjing)大綱1. 染料敏化太陽電池的概況2. 染料敏化太陽電池的特點及應(yīng)用3. 提升染料敏化太陽電池競爭力的主要途徑 第1頁/共41頁第一頁，共41頁。1. 1.染料敏化太陽電池染料敏化太陽電池(ti (ti yn din ch)yn din ch)的概況的概況第2頁/共41頁第二頁，共41頁。單電池、組件(z jin)及戶外系統(tǒng)n單電池n 組件(z jin)n戶外(h wi)系統(tǒng)第3頁/共41頁第三頁，共41頁。1991年在年在Nature發(fā)表的論文發(fā)表的論文技術(shù)突破：在光電極上引入多孔技術(shù)突破：在光電極上引入多孔二氧化鈦層二氧化鈦層轉(zhuǎn)換效率：轉(zhuǎn)換效率：7.1%2010年年最高轉(zhuǎn)

2、最高轉(zhuǎn)換效率換效率突破突破12%第4頁/共41頁第四頁，共41頁。染料染料(rnlio)敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)典型染料典型染料(rnlio)敏化太陽電池組成：敏化太陽電池組成：（1）光電極：）光電極：TCO+多孔二氧化鈦層多孔二氧化鈦層（2）敏化劑：染料）敏化劑：染料(rnlio)(N719/N3)+溶劑溶劑（3）電解質(zhì)：）電解質(zhì)：I-/I3-(LiI/I2)+溶劑溶劑（4）對電極：）對電極：TCO+Pt催化層催化層第5頁/共41頁第五頁，共41頁。染料敏化太陽電池的工作染料敏化太陽電池的工作(gngzu)原理原理第6頁/共41頁第六頁，共41頁。電荷分離電荷分離(fnl)機制機

3、制由內(nèi)建電場實現(xiàn)(shxin)電荷分離半導(dǎo)體材料即參與電荷分離，又參與光子捕獲P-N結(jié)太陽電池(ti yn din ch)染料敏化太陽電池由光合作用過程的動力學(xué)競爭實現(xiàn)電荷分離半導(dǎo)體材料僅參與電荷分離，不參與光子捕獲第7頁/共41頁第七頁，共41頁。 目前從事染料敏化太陽電池研究的國家主要包括：澳大利亞、瑞士、德國、日本、美國、中國、英國等 無論從專利的申請數(shù)還是(hi shi)論文的發(fā)布數(shù)，日本最為活躍。 中國在染料敏化太陽電池的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化研究上都與世界研究水平相接近第8頁/共41頁第八頁，共41頁。中國對染料敏化太陽電池(ti yn din ch)研究的貢獻 新思路、新方法 如中國科

4、學(xué)院物理所孟慶波課題組提出的環(huán)境友好的復(fù)合電解質(zhì)；清華大學(xué)林紅課題組提出的新型高效低成本疊層柔性薄膜太陽電池等 材料制備及合成 在染料合成技術(shù)、納米半導(dǎo)體薄膜研究、電池密封和電極研制上也取得一定的成果，如中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所 王鵬課題組在新型染料研究和離子液態(tài)電解質(zhì)上取得突破，實現(xiàn)自主研發(fā)染料C101，效率(xio l)達到11，基于混合離子液態(tài)電解質(zhì)電池的效率(xio l)達到8.2 太陽電池組件 大面積電池組件(40 x60 cm ) 轉(zhuǎn)換效率(xio l)達5.7%；中科院等離子體物理研究所戴松元課題組建成的國內(nèi)首個500瓦染料敏化納米太陽電池示范電站，轉(zhuǎn)換效率(xio l)5%

5、中國國家重點基礎(chǔ)研究計劃(jhu)和納米專項(973項目)先后三次對染料敏化太陽電池進行立項，先后在基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題上取得突破：第9頁/共41頁第九頁，共41頁。2.染料敏化太陽電池染料敏化太陽電池的特點的特點(tdin)及應(yīng)及應(yīng)用用第10頁/共41頁第十頁，共41頁。材料成本較低、制備工藝簡單轉(zhuǎn)換(zhunhun)效率隨溫度上升而提升不同于硅基太陽電池電池兩面均可以吸收光有利于吸收散射光制備出半透明或不同顏色的電池裝飾功能強質(zhì)量輕以及可制成柔性器件便于攜帶能源回收期較短小于1年較高的轉(zhuǎn)換(zhunhun)效率最高轉(zhuǎn)換(zhunhun)效率超出12%（數(shù)據(jù)來源：2008年M. Grt

6、zel教授的演講）Roll-to Roll 技術(shù)技術(shù)(jsh)太陽電池太陽電池(ti yn din ch)盆景盆景通過調(diào)整敏化劑顏色獲得的太陽葉通過調(diào)整敏化劑顏色獲得的太陽葉太陽電池背包太陽電池背包染料敏化太陽電池的特點染料敏化太陽電池的特點第11頁/共41頁第十一頁，共41頁。Roll-to Roll制造制造(zhzo)技術(shù)技術(shù)染料敏化太陽電池染料敏化太陽電池(ti yn din ch)的特點的特點第12頁/共41頁第十二頁，共41頁。第13頁/共41頁第十三頁，共41頁。轉(zhuǎn)換效率隨溫度轉(zhuǎn)換效率隨溫度(wnd)上升而提升上升而提升染料敏化太陽電池染料敏化太陽電池(ti yn din ch)的

7、特點的特點第14頁/共41頁第十四頁，共41頁。染料敏化太陽電池(ti yn din ch)作為裝飾品做出的“Power Dressing”染料敏化太陽電池裝飾裝飾(zhungsh)功能功能染料敏化太陽電池染料敏化太陽電池(ti yn din ch)的特點的特點第15頁/共41頁第十五頁，共41頁。染料染料(rnlio)敏化太陽電池制成的敏化太陽電池制成的“太陽葉太陽葉”太陽太陽(tiyng)葉結(jié)構(gòu)葉結(jié)構(gòu)通過通過(tnggu)調(diào)整敏化劑顏色獲得的太陽葉調(diào)整敏化劑顏色獲得的太陽葉染料敏化太陽電池的特點染料敏化太陽電池的特點第16頁/共41頁第十六頁，共41頁。染料敏化太陽電池的特征染料敏化太陽電

8、池的特征染料染料(rnlio)敏化太陽電池的特點敏化太陽電池的特點第17頁/共41頁第十七頁，共41頁。第18頁/共41頁第十八頁，共41頁。染料敏化太陽電池制成的手機(shu j)充電器電源質(zhì)量輕、便于質(zhì)量輕、便于(biny)攜帶攜帶染料染料(rnlio)敏化太陽電池的特點敏化太陽電池的特點第19頁/共41頁第十九頁，共41頁。第20頁/共41頁第二十頁，共41頁。染料敏化太陽電池在軍染料敏化太陽電池在軍事領(lǐng)域事領(lǐng)域(ln y)的應(yīng)用的應(yīng)用（美國）（美國）第21頁/共41頁第二十一頁，共41頁。染料敏化太陽電池染料敏化太陽電池(ti yn din ch)在汽車上的應(yīng)用在汽車上的應(yīng)用染料敏化太

9、陽電池制半透明汽車(qch)擋板第22頁/共41頁第二十二頁，共41頁。染料染料(rnlio)敏化太陽電池作為屋頂?shù)拿艋栯姵刈鳛槲蓓數(shù)膽?yīng)用應(yīng)用第23頁/共41頁第二十三頁，共41頁。染料敏化太陽電池作為幕墻染料敏化太陽電池作為幕墻(m qin)的應(yīng)用的應(yīng)用第24頁/共41頁第二十四頁，共41頁。染料敏化太陽電池在野外帳篷染料敏化太陽電池在野外帳篷(zhng peng)的應(yīng)用的應(yīng)用第25頁/共41頁第二十五頁，共41頁。產(chǎn)業(yè)化情況(qngkung)1991年染料敏化太陽電池的轉(zhuǎn)換效率實現(xiàn)飛躍式的提升1992年至1999年間，以德國光伏研究所(INAP)和澳大利亞STI公司為典型的產(chǎn)業(yè)化研究機

10、構(gòu)進行了產(chǎn)業(yè)化前期的探索性研究2001年澳大利亞STI公司建立了世界上首條染料敏化太陽電池中試線2003年澳大利亞Dyesol-STI公司完成200 m2 染料敏化太陽電池顯示屋頂，集中體現(xiàn)了未來工業(yè)化的前景2004年底，中國科學(xué)院等離子體物理研究所建立了500 W 染料敏化太陽電池示范(shfn)系統(tǒng)，并保持長期有效的運行，為今后實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化打下了基礎(chǔ)2009年英國G24i 在全球推出首批商品化染料敏化太陽電池組件，其生產(chǎn)線生產(chǎn)能力為30百萬瓦第26頁/共41頁第二十六頁，共41頁。 G24 Innovation （UK）產(chǎn)品(chnpn)第27頁/共41頁第二十七頁，共41頁。2004200

11、4年由中科院等離子體物理年由中科院等離子體物理(wl)(wl)研究所建研究所建成的國內(nèi)首個成的國內(nèi)首個500500瓦染料敏化納米太陽電池示范瓦染料敏化納米太陽電池示范電站電站轉(zhuǎn)換效率：轉(zhuǎn)換效率：5%5%（數(shù)據(jù)來源：中科院等離子體物理（數(shù)據(jù)來源：中科院等離子體物理(wl)(wl)研究所）研究所）第28頁/共41頁第二十八頁，共41頁。2008年世博覽會展出的柔性年世博覽會展出的柔性染料敏化太陽電池組件染料敏化太陽電池組件(z jin)（ 數(shù)據(jù)來源：數(shù)據(jù)來源：Yoshida 教授教授的演講）的演講）第29頁/共41頁第二十九頁，共41頁。2010年美國光付研討會展示的染料敏化太陽電池(ti yn

12、din ch)組件第30頁/共41頁第三十頁，共41頁。3. 提升提升(tshng)染料敏化太染料敏化太陽電池競爭力的主要途徑陽電池競爭力的主要途徑第31頁/共41頁第三十一頁，共41頁。進一步提升染料敏化太陽電池的轉(zhuǎn)換效率 短路電流的改善 開路電壓的改善 填充因子的改善進一步改善染料敏化太陽電池的穩(wěn)定性 液態(tài)電解質(zhì)的替換準(zhǔn)固態(tài)(gti)及固態(tài)(gti)電解質(zhì)的開發(fā) 無機敏化劑的應(yīng)用量子點敏化材料進一步減低染料敏化太陽電池的成本（材料方向） 對電極Pt取代材料 天然敏化劑如何進一步提升染料(rnlio)敏化太陽電池競爭力？主要(zhyo)思路：第32頁/共41頁第三十二頁，共41頁。1. 短路

13、電流的改善（1）二氧化鈦光電極 加強入射光的路徑強度散射層的引入 改善二氧化鈦顆粒之間以及顆粒與TCO的接觸TiCi4水溶液后處理 增加染料的吸附量增加二氧化鈦的表面積 減少電荷的復(fù)合用金屬氧化物進行隔離（2）染料 染料提純發(fā)展新的染料提純技術(shù) 提高染料的吸光率研制(ynzh)新型染料2. 開路電壓的改善 減少暗電流光電極的表面修飾 TiO2導(dǎo)帶負(fù)移3. 填充因子的改善 減小電池的內(nèi)阻TCO的內(nèi)阻、對電極催化層修飾等轉(zhuǎn)換效率(xio l)改善主要途徑第33頁/共41頁第三十三頁，共41頁。例子(l zi)1：散射層的引入散射層（顆粒尺寸約100nm的TiO2顆粒）第34頁/共41頁第三十四頁，

14、共41頁。例子2：用金屬氧化物進行(jnxng)隔離第35頁/共41頁第三十五頁，共41頁。例子(l zi)3：減少TCO的內(nèi)阻第36頁/共41頁第三十六頁，共41頁。量子點敏化材料的應(yīng)用(yngyng)以取代染料常用(chn yn)的量子點有：CdS、PbSe、PbS、PbTe、 InAs、GaSb和Si等量子(lingz)點敏化太陽電池何為量子點？材料的尺寸達到10nm以下的窄禁帶半導(dǎo)體具有兩個明顯的特點：能帶分裂為不連續(xù)的能級；多激子效應(yīng)量子點的形成的兩種方法：基于分子束外延生長的物理自組織化生長基于溶液中膠體微粒的化學(xué)自組裝形成.在TiO2纖維表面沉積的CdS量子點第37頁/共41頁第

15、三十七頁，共41頁。 例子1：北京大學(xué)物理電子研究所彭練矛研究小組采用一種簡單的方法成功組裝一種CdS量子點和TiO2納米管陣列膜復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電極, 光電轉(zhuǎn)換效率達到4.15%,開路光電壓達到1.27 V,短路光電流達到7.82 mA/cm2，填充因子為0.578.。 例子2：J.chen等在碳納米管上使用水熱方法沉積ZnO納米棒，然后浸入0.01M硝酸鋅和0.01M的六次甲基四胺混合溶液，在高壓滅菌器中95下加熱10小時，將制備好的巰基乙酸(y sun)capped-CdSe量子點（尺寸約4.5nm）安裝到ZnO棒的表面，形成CdSe量子點敏化的ZnO電池，獲得了1.46的轉(zhuǎn)換效率。依次(yc)為ZnO納米棒、 碳納米管/ZnO 、敏化前、量子點敏化后的形貌第38頁/共41頁第三十八頁，共41頁。對電極Pt取代(qdi)材料 有效的解決途徑：為了探索合適的非Pt對電極，人們展開了大量艱辛的工作，并取得了一定的成績，其中以碳材料(cilio)為催化層構(gòu)成的碳對電極已展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢并具有巨大的應(yīng)用潛力。Pt對電極存在的是目前最