染敏太陽能電池背景實(shí)用教案

1、 太陽能：無窮無盡、清潔(qngji)的能源 其應(yīng)用：光合作用光電轉(zhuǎn)換 光熱轉(zhuǎn)換第1頁/共21頁第一頁，共21頁。太陽能電池(dinch) 分類：硅基太陽能電池,薄膜太陽能電池,有機(jī)基太陽能電池,新概念太陽能電池目前所用的太陽能電池大多采用硅材料。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性和可靠性都相當(dāng)(xingdng)好，室外環(huán)境下工作壽命超過幾年。缺點(diǎn)：價(jià)格過高，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。多晶硅太陽能路燈(ldng)第2頁/共21頁第二頁，共21頁。染料染料(rnlio)敏化太陽電池敏化太陽電池 模仿光合作用 優(yōu)勢(shì)：原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，壽命長，部分材料可以得到充分的回收(hushu)，環(huán)保！光合作用第3頁/共2

2、1頁第三頁，共21頁。 主要內(nèi)容 1.研究歷史 2.我國染料敏化太陽電池(dinch)的研究歷史 3.DSSC太陽能電池(dinch)的結(jié)構(gòu)及原理 4.研究方向第4頁/共21頁第四頁，共21頁。1.研究(ynji)歷史 19世紀(jì)早期的照相術(shù)：1837年，Daguerre制出世界上第一張照片。兩年后，F(xiàn)ox Talbot將鹵化銀用于照片制作，但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大，無法響應(yīng)長波可見光。染料敏化效應(yīng)的最早報(bào)導(dǎo)：1883年，德國光電化學(xué)專家Vogel發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料能使鹵化銀乳狀液對(duì)更長的波長(bchng)敏感。1887年，Moser將這種染料敏化效應(yīng)用到鹵化銀電極上，延伸到光電化學(xué)領(lǐng)域。染料敏化

3、領(lǐng)域重要事件：1964年，Namba和Hishiki發(fā)現(xiàn)同一種染料對(duì)照相術(shù)和光電化學(xué)都有效。達(dá)蓋爾銀版攝影塔波特The open door 第5頁/共21頁第五頁，共21頁。 20世紀(jì)60年代，德國的Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生(chnshng)電流的機(jī)理。 1991年，Grtzel應(yīng)用比表面積很大的納米TiO2顆粒，使電池的效率達(dá)到7.1 %，取得了染料敏化太陽能電池領(lǐng)域重大突破。染料敏化納米晶 TiO2 薄膜太陽電池:薄膜具有很高的比表面積和較高的光電轉(zhuǎn)換率， 價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單(jindn)、穩(wěn)定的性能和壽命長等，成為世界各國研究機(jī)構(gòu)爭(zhēng)相開發(fā)的研究熱點(diǎn)。第

4、6頁/共21頁第六頁，共21頁。2.我國染料敏化太陽電池的研究(ynji)歷史1、我國科研研究小組在九十年代中后期開始跟蹤研究該項(xiàng)技術(shù)（中科院、北大等高校(goxio)）。2、中科院等離子體所、化學(xué)所和理化所的研究小組在中科院院長特別基金的支持下，開展了前期的跟蹤研究，于2000年6月，該項(xiàng)研究被中科院列入中科院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目。3、2000年10月，“低價(jià)、長壽新型光伏電池的基礎(chǔ)研究” 項(xiàng)目列入國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目（973計(jì)劃）（中科院等離子體物理研究所、南開大學(xué)）。第7頁/共21頁第七頁，共21頁。中國首個(gè)染料敏化太陽電池示范(shfn)電站2004年，IPP建成了500瓦規(guī)模(gum)的

5、小型示范電站，光電轉(zhuǎn)換效率5 %。第8頁/共21頁第八頁，共21頁。3.DSSC太陽能電池(dinch)的結(jié)構(gòu)及原理 DSSC主要包括：染料敏化劑、光陽極、氧化(ynghu)還原電解質(zhì)和陰極。DSSC太陽能電池(dinch)的結(jié)構(gòu)第9頁/共21頁第九頁，共21頁。染料(rnlio)敏化劑 一些半導(dǎo)體(如TiO2)的禁帶寬度相當(dāng)于紫外區(qū)的能量，只能吸收太陽光中的紫外光，太陽光利用(lyng)效率低。與半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶能量相匹配的染料吸附在半導(dǎo)體的表面，利用(lyng)染料對(duì)可見光的強(qiáng)吸收而將體系的光譜響應(yīng)延伸到可見光區(qū)-染料光敏化劑 直接影響DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率第10頁/共21頁第十頁，共2

6、1頁。 吸收(xshu)盡可能多的太陽光；緊密吸附在納米晶網(wǎng)絡(luò)電極表面（-COOH，-SO3H，-PO3H2等）；與相應(yīng)的納米晶的能帶相匹配；激發(fā)態(tài)壽命足夠長多數(shù)染料激發(fā)態(tài)壽命很短（10-910-8s），通過某種形式的化學(xué)鍵鍵合到電極表面以利于電荷的有效注入。要求有吸附性能良好的基團(tuán) ，基團(tuán)直接引入到發(fā)色團(tuán)中，可提高光電轉(zhuǎn)化效率。理想(lxing)光敏染料具備條件:第11頁/共21頁第十一頁，共21頁。 敏化劑的種類(zhngli)： 吡啶金屬絡(luò)合物系列 吡啶釕系列（可見光區(qū)有較強(qiáng)的吸收，穩(wěn)定性高，氧化還原性能可逆） N3染料(rnlio)、N719染料(rnlio)和黑染料(rnlio)結(jié)構(gòu)

7、式第12頁/共21頁第十二頁，共21頁。羧酸(su sun)多吡啶酞菁（Phthalocyanine）系列卟啉（Porphyrin）系列純有機(jī)染料系列無機(jī)化合物系列第13頁/共21頁第十三頁，共21頁。光陽極(yngj)材料光陽極：透明的導(dǎo)電玻璃及其上面覆蓋的一層染料敏化半導(dǎo)體薄膜。半導(dǎo)體材料(cilio)：金屬硫化物或硒化物 、鈣鈦礦以及鈦、錫、鋅等的氧化物 薄膜是光電轉(zhuǎn)換的前提和基礎(chǔ)， 納米 TiO2的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)太陽能電池PCE影響：粒徑太大，染料的吸附率低；粒徑太小， 界面太多， 晶界勢(shì)壘阻礙載流子傳輸， 載流子遷移率低。第14頁/共21頁第十四頁，共21頁。 很多人在 TiO2電極的基

8、礎(chǔ)上做了改性工作： 對(duì) TiO2進(jìn)行離子摻雜； 在TiO2納米晶薄膜表面復(fù)合上一定厚度(hud)的其他半導(dǎo)體化合物薄膜.第15頁/共21頁第十五頁，共21頁。電解質(zhì)組成：有機(jī)溶劑（乙腈），氧化(ynghu)還原電對(duì)（I-/I），添加劑作用：復(fù)原染料，傳輸電荷，改變體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。組成及溶劑配方對(duì)太陽能電池的效率影響大，要求其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。第16頁/共21頁第十六頁，共21頁。 液態(tài)電解質(zhì)含易揮發(fā)的有機(jī)溶劑,電池的長期穩(wěn)定性差。 使用(shyng)不揮發(fā)、電導(dǎo)率高的離子液體；加入高分子凝膠劑，形成準(zhǔn)固態(tài)凝膠高分子，保持體系的高導(dǎo)電性和高轉(zhuǎn)換效率，降低溶劑揮發(fā)。 全固態(tài)染料敏化太陽能電池也是研究熱點(diǎn)。解決的方法第17頁/共21頁第十七頁，共21頁。工作(gngzu)原理D基態(tài)(j ti)染料分子D+激發(fā)態(tài)X鹵素分子X-陰離子第18頁/共21頁第十八頁，共21頁。4.主要研究(ynji)方向 未來的研究方向主要在以