染料敏化電池報告課件

1、染料敏化電池詳解王琳 2011年11月10日一、染料敏化電池的定義二、染料敏化電池的原理三、染料敏化電池的結(jié)構(gòu)四、未來展望DBCA硅系太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機太陽能電池染料敏化納米晶太陽能電池DSSCSolar Cells分類 1991年，由瑞士的科學家Grtzel等人采用二氧化鈦納米粒子作為染料載體，制作了染料敏化太陽能電池，將其轉(zhuǎn)化效率提高到7%，繼而迎來了DSSC的新時代。染料敏化電池的定義一、染料敏化電池的定義二、染料敏化電池的原理三、染料敏化電池的結(jié)構(gòu)四、未來展望 染料敏化太陽能電池的原理是： 在入射光的照射下，鑲嵌在納米二氧化鈦表面的光敏染料吸收光子，

2、躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)很容易發(fā)射電子，由于染料激發(fā)態(tài)與TiO2 導(dǎo)帶的能級差，電子注入TiO2 導(dǎo)帶，染料成為氧化態(tài)的正離子，電子通過外電路形成電流到對電極，染料正離子接受電解質(zhì)溶液中還原劑的電子，還原為最初染料，而電解質(zhì)中的氧化劑擴散到對電極得到電子而使還原劑得到再生，形成一個完整的循環(huán)，在整個過程中，表觀上化學物質(zhì)沒有發(fā)生變化，而光能轉(zhuǎn)化成了電能。光照外電路所產(chǎn)生的光電壓等于TiO2 電子的Fermi 能級與電解質(zhì)氧化還原電勢的差值。染料敏化電池的原理染料Dye受到可見光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(Dye*)：激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(CB)中：I-離子還原Dye+ 使染料再生：導(dǎo)

3、帶中的電子與Dye+之間發(fā)生復(fù)合：導(dǎo)帶(CB)中的電子在二氧化鈦網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)綄?dǎo)電玻璃后接觸面(BC)后而流入到外電路中：在二氧化鈦薄膜中傳輸?shù)碾娮优c進入二氧化鈦膜間隙的I3-離子復(fù)合：I3- 離子擴散到對電極(CE)上,得到電子，使I-再生：具體過程如下： 和其他太陽能電池不同，在染料敏化太陽能電池中，光的捕獲和光生載流子的傳輸是由敏化劑和TiO2半導(dǎo)體分別完成的。 染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖染料敏化電池的原理一、染料敏化電池的定義二、染料敏化電池的原理三、染料敏化電池的結(jié)構(gòu)四、未來展望染料敏化電池的結(jié)構(gòu) TiO2是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，寬帶隙半導(dǎo)體材料具有較高的熱穩(wěn)定性和光化學穩(wěn)

4、定性。盡管寬帶隙半導(dǎo)體本身捕獲太陽光的能力非常差，但將合適的染料吸附到半導(dǎo)體表面上，借助于染料對可見光的強吸收，可以將半導(dǎo)體的光譜響應(yīng)拓寬到可見區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的染料敏化作用，而載有染料的半導(dǎo)體稱為染料敏化半導(dǎo)體電極。光陽極：它是制備在導(dǎo)電玻璃上的納米晶半導(dǎo)體薄膜，是DSSC的關(guān)鍵部分。目前研究的電極材料只要有TiO2,ZnO,SnO2等，其中TiO2作為光陽極研究最為廣泛。納米TiO2 薄膜極材料Scanning electron micrograph of the surface of fa mesoporous anatase ilm prepared from a hydroth

5、ermally processed TiO2 colloid. The exposed surface planes have mainly 101 orientation. Porosity: 50%. Average pore size :15nm; 制備方法：溶膠凝膠法；水熱反應(yīng)法；濺射法；醇鹽水解法；濺射沉積法；等離子噴涂法；絲網(wǎng)印刷法等微觀結(jié)構(gòu)（孔徑 氣孔率） Ref： ORegan B.and Grtzel M., Nature, 1991,353,737染料敏化電池的結(jié)構(gòu)染料敏化電池的結(jié)構(gòu)敏化劑（Dye）：染料分子的作用就是吸收太陽光，將基態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)，然后再轉(zhuǎn)移到外電路，

6、它的性能是決定電池轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一 。在染料敏化太陽能電池的發(fā)展中，釕的配合物一直起著重要的作用，所以將染料敏化劑分為無機染料敏化劑、有機染料敏化劑和窄帶隙半導(dǎo)體敏化劑三類，具體會在后面介紹。染料敏化太陽能電池巧妙地利用高消光系數(shù)的染料分子吸附在氧化物納米顆粒界面來實現(xiàn)高效的太陽光吸收和電子空穴的分離收集。納米顆粒材料具有極大的比表面積，光吸收可比單晶表面提高1000倍以上。暫未找到i. 無機染料敏化劑 無機敏化劑具有有機敏化劑不可比擬的高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。目前應(yīng)用效果最好的是多吡啶釕配合物類敏化劑，按其結(jié)構(gòu)可分為羧酸多吡啶釕、膦酸多吡啶釕、多核聯(lián)吡啶釕3類。 ii. 純有機染料敏化

7、劑有機敏化劑的種類多，成本低，吸光系數(shù)高，近年來發(fā)展較快，其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以與多吡啶釕類的敏化劑相媲美。有機敏化劑一般具有“供體(D)共軛橋()受體(A)結(jié)構(gòu)”。借助電子供體和受體的推拉電子作用，使得敏化劑的可見吸收峰向長波方向移動，有效地利用紅光和近紅外光，達到不斷提高染料敏化太陽能電池的短路電流染料敏化電池的結(jié)構(gòu)聯(lián)吡啶金屬絡(luò)合物系列 酞菁（Phthalocyanine）系列卟啉（Porphyrin）系列純有機染料系列染料敏化電池的結(jié)構(gòu)N3Black dye聯(lián)吡啶金屬絡(luò)合物系列Wavelength nm染料敏化電池的結(jié)構(gòu)NKX-2677染料敏化電池的結(jié)構(gòu)N3 、Black Dye 和NK

8、X2677性能比較Black dye 敏化染料： 敏化染料直接影響到對光子的吸收和整個電池的光電轉(zhuǎn)化效率，因此敏化染料需要具有以下條件: 與TiO2納米晶半導(dǎo)體電極表面有良好的結(jié)合性能，能夠快速達到吸附平衡，而且不易脫落； （COOH,-SO3H,PO3H2等） 在可見光區(qū)有較強的、盡可能寬的吸收帶以吸收更多的太陽光，可以捕獲多的能量，提高光電轉(zhuǎn)換效率; 染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定性較高，且具有盡可能高的可逆轉(zhuǎn)換能力；激發(fā)態(tài)壽命足夠長，且具有很高的電荷傳輸效率; 有適當?shù)难趸€原電勢以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入到TiO2導(dǎo)帶中; 敏化染料分子應(yīng)含有大二鍵、高度共扼、并且有強的給電子基團。與相應(yīng)的納

9、米晶的能帶相匹配；染料敏化電池的結(jié)構(gòu) 液態(tài)電解質(zhì)存在的缺點：易導(dǎo)致敏化染料的脫附;(2) 溶劑易揮發(fā),與敏化染料作用導(dǎo)致染料降解;(3) 密封工藝復(fù)雜;(4) 載流子遷移速率很慢,在高強度光照時不穩(wěn)定;(5) 存在其他氧化還原反應(yīng) i. 液態(tài)電解質(zhì) 液體電解質(zhì)主要有3部分組成:有機溶劑，氧化還原電子對和添加劑。目前常用作液體電解質(zhì)的氧化還原電子對一般為I3-/I-，有機溶劑主要有腈類或碳酸酯類，添加劑一般為T BP或N-甲基苯并咪唑。液體電解質(zhì)由于其擴散速率快，光電轉(zhuǎn)化效率高，組成成分易于設(shè)計和調(diào)節(jié)，對納米多孔膜的滲透性好而一直被廣泛研究。 染料敏化電池的結(jié)構(gòu)ii. 準固態(tài)電解質(zhì) 準固態(tài)電解質(zhì)主要有兩個方面，一種是利用液體電解質(zhì)與膠凝劑結(jié)合后形成的準固態(tài)電解質(zhì)，另一種是離子介質(zhì)為基礎(chǔ)的溶膠-凝膠電解質(zhì)，近年來，溶膠-凝膠的進展很快，在1000 mW/cm2(AM1.5)光強下光電轉(zhuǎn)化效率可達7%。 iii. 固態(tài)電解質(zhì) 由于太陽能電池需要長期放置在室外，受到各種自然條件的影響。全固態(tài)電解質(zhì)完全克服了液體電解質(zhì)和準固態(tài)電解質(zhì)易揮發(fā)，壽命短和難封裝的缺點。目前對有機空穴傳輸材料和無機型P-半導(dǎo)體材料的研究十分活躍。 染料敏化電池的結(jié)構(gòu)對