染料敏化太陽能電池

1、 染料敏化太陽能電池物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院化學(xué)物理學(xué)交叉培養(yǎng)班張玲玲2011213434摘要染料敏化太陽電池主要是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池，其主要優(yōu)勢是原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對簡單，在大面積工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢，同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對保護(hù)人類環(huán)境具有重要的意義。本文主要從染料敏化太陽能電池的原理和電解質(zhì)來進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞染料敏化太陽能電池原理制備一、染料敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)染料敏化太陽能電池主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（T

2、iO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為染料敏化太陽能電池的負(fù)極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對的電解質(zhì)，最常用的是13/I-。結(jié)構(gòu)組成:Ti&.圖1染料敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)二、染料敏化太陽能電池的工作原理當(dāng)太陽光照射在染料敏化太陽能電池上，染料分子中基態(tài)電子被激發(fā)，激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到納米多孔半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，注入到導(dǎo)帶中的電子迅速富集到導(dǎo)電玻璃面上，傳向外電路，并最終回到對電極上。而由于染料的氧化還原電位高于氧化還原電解質(zhì)電對的電位，這時(shí)處于氧化態(tài)的染料分子隨即被

3、還原態(tài)的電解質(zhì)還原。然后氧化態(tài)的電解質(zhì)擴(kuò)散到對電極上得到電子再生，如此循環(huán),即產(chǎn)生電流。電池的最大電壓由氧化物半導(dǎo)體的費(fèi)米能級和氧化還原電解質(zhì)電對的電位決定。A=I:礙子嶽問負(fù)載能圾正圖2染料敏化太陽能電池的工作原理示意圖21納米晶多孔薄膜作為太陽能電池半導(dǎo)體材料，首要條件為光照下性能穩(wěn)定?？紤]到只有禁帶寬度Eg3eV的寬帶隙半導(dǎo)體才滿足這一條件，因此可以用作DSC半導(dǎo)體材料的禁帶寬度必須大于3eV。TiO2禁帶寬度為3.2eV，是性能最優(yōu)、使用最廣泛的DSC半導(dǎo)體電極材料。所有的太陽能電池都是依靠光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能.半導(dǎo)體的截止波長由下式計(jì)算：1240九=gEg式中：Eg為半導(dǎo)體禁帶寬

4、度，入g為半導(dǎo)體的截止吸收波長.則禁帶寬度為3eV半導(dǎo)體材料截止波長為413nm，而太陽光主要分布在可見光區(qū)域，而可見光光譜范圍為390770nm，因此基本不能被吸收.為了使寬帶隙半導(dǎo)體材料能夠吸收可見光，必須通過某種方法將截止波長紅移至紅外區(qū).吸附于半導(dǎo)體表面的染料可以使半導(dǎo)體的吸收邊強(qiáng)烈紅移。22染料分子染料分子是一類金屬釕配合物，其激發(fā)是典型的金屬到配體的電荷轉(zhuǎn)移過程。也就是說，染料分子最高已占軌道(HOMO)在金屬Ru附近，最低未占軌道(LOMO)位于吡啶環(huán)和羧基附近。激發(fā)時(shí)，電子從HOMO躍遷到LOMO,由于羧基和TiO2納米晶粒子結(jié)合在一起，染料分子和半導(dǎo)體表面距離非常近，LOMO

5、電子波函數(shù)與TiO2部分重合，因此電子能夠迅速注入半導(dǎo)體。2.3DSC中光生載流子的產(chǎn)生與傳輸雖然DSC與p-n結(jié)電池電子空穴對產(chǎn)生機(jī)理相同，即都是由光照下電子從禁帶躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生的，但是對于電荷的分離及傳輸兩者是截然不同的。硅太陽能電池核心結(jié)構(gòu)為pn結(jié)，電子與空穴通過在pn結(jié)空間電荷層內(nèi)建電場實(shí)現(xiàn)電荷分離與傳輸。對于DSC,染料只產(chǎn)生電子空穴對，半導(dǎo)體只負(fù)責(zé)傳輸電子，電荷產(chǎn)生和傳輸是相互分離的。2.4電荷分離處于激發(fā)態(tài)的染料分子不穩(wěn)定，容易發(fā)射電子而形成氧化態(tài)S+，發(fā)射的電子被注入半導(dǎo)體中擴(kuò)散，這也要求半導(dǎo)體為N型材料。S+停留在半導(dǎo)體表面，通過與電解質(zhì)中氧化還原對作用實(shí)現(xiàn)正電荷(空穴)的

6、傳輸。也就是說，空穴并沒有進(jìn)入半導(dǎo)體，而是通過電解質(zhì)傳輸。電子注入半導(dǎo)體主要決定于染料分子的能帶結(jié)構(gòu)與TiO2導(dǎo)帶位置。具體地說，染料分子能帶位置必須滿足兩個(gè)條件，才能完成電子循環(huán)：a.染料激發(fā)態(tài)位置(LOMO)必須高于TiO2導(dǎo)帶位置，以保證電子能迅速注入半導(dǎo)體。b.染料基態(tài)位置(HOMO)必須低于電解質(zhì)中氧化還原對(I3/I)化學(xué)勢，保證氧化態(tài)染料能被電解質(zhì)還原。2.5電荷的傳輸和電解質(zhì)中的離子傳輸由于納米晶多孔薄膜由緊密相連的納米晶顆粒堆積排列而成，電子在納米晶顆粒間跳躍擴(kuò)散。同時(shí)考慮電子的集體效應(yīng)，由于貼近染料分子一側(cè)有大量電子從染料注入，靠近導(dǎo)電基底一側(cè)電子不斷流向外電路，因此薄膜內(nèi)

7、部電子濃度出現(xiàn)梯度差，有利于電子向?qū)щ娀滓粋?cè)擴(kuò)散。電子的擴(kuò)散快慢程度用擴(kuò)散系數(shù)來表征.擴(kuò)散系數(shù)與半導(dǎo)體中由缺陷而引起的勢阱有關(guān)。電子在納米晶薄膜傳輸?shù)耐瑫r(shí)，空穴(正電荷)以13形式從納米晶薄膜表面一側(cè)向?qū)﹄姌O傳輸。電荷在電池中的傳輸機(jī)理是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，關(guān)系到如何選擇優(yōu)化半導(dǎo)體材料、如何減弱電子復(fù)合、如何設(shè)計(jì)染料分子結(jié)構(gòu)等等。2.6電子復(fù)合效應(yīng)在pn結(jié)電池結(jié)構(gòu)中，電子在半導(dǎo)體材料中傳輸，遇到缺陷電子很容易被束縛，因此對半導(dǎo)體材料的晶化程度以及純度都有相當(dāng)高的要求。但在DSC中，納米晶粒子間存在大量缺陷和晶界，但是這毫不影響電池性能。主要是因?yàn)殡娮釉诎雽?dǎo)體薄膜中傳輸，而空穴在電解質(zhì)中傳輸，

8、因此復(fù)合效應(yīng)只能發(fā)生在半導(dǎo)體電解質(zhì)界面。三、染料敏化太陽能電池電解質(zhì)的研究進(jìn)展在染料敏化太陽能電池中,電解質(zhì)起到傳輸電子和空穴的作用,其中的氧化還原電對、有機(jī)溶劑、添加劑以及金屬離子的種類都對電池的性能有重要的影響。理想的氧化還原電對要滿足:在陰極應(yīng)該具有快速的電子傳輸動(dòng)力,較快地與電子發(fā)生氧化還原反應(yīng),以減少電子在陰極的積累;而在陽極又要表現(xiàn)出較慢的電子傳輸動(dòng)力,以減少激發(fā)到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的光電子與電解質(zhì)中的電子受體或染料的氧化態(tài)反應(yīng)。目前的DSSC中，應(yīng)用的有液態(tài)電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)等。3.1液態(tài)電解質(zhì)廣泛應(yīng)用的電解質(zhì)溶液液中氧化還原電對一般為I-/1-，有機(jī)溶劑主要有3腈類或碳

9、酸酯類，添加劑一般為42叔丁基吡啶或N2甲基苯并咪唑。由于I-/1-3電對的電勢與N3染料基態(tài)的能級相比，具有0.6eV的相對差值，引起的電勢損失較大。盡管液體電解質(zhì)取得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但有機(jī)溶劑易揮發(fā)、密封困難，影響到DSSC使用壽命。而室溫下的離子液體具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，諸如好的熱穩(wěn)定性及寬的電化學(xué)窗口、不易燃性、高的離子傳導(dǎo)性、很小的蒸汽壓力、毒性小等。在DSSC中用離子液體代替液態(tài)電解質(zhì)有利于提高壽命和穩(wěn)定性,具有廣闊的前景。但離子液體的粘度系數(shù)相對較大，影響離子的擴(kuò)散速率，導(dǎo)致DSSC的光電轉(zhuǎn)換效率不高，這也是今后努力的方向。3.2準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)考慮到液體電解質(zhì)的不足，而它與膠凝劑

10、結(jié)合后形成的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)可有效地防止電解質(zhì)泄露，延長電池的使用壽命，從而引起廣泛的關(guān)注。用于DSSC的膠凝劑主要有:聚合物、納米粉末和有機(jī)小分子膠凝劑。聚合物膠凝劑具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，液體電解質(zhì)可以填充于其中從而達(dá)到固化的目的，其性能穩(wěn)定，使用壽命較長。納米粉末膠凝劑易于分散在極性較強(qiáng)的離子液體中，形成穩(wěn)定的凝膠并且基本上不影響電池的性能，但由于納米粉末容易發(fā)生團(tuán)聚及沉降，獲得的凝膠壽命有限。有機(jī)小分子膠凝劑主要是含有酰胺鍵和長脂肪鏈的有機(jī)小分子，通過酰胺鍵之間的氫鍵和長脂肪鏈之間的范德華力，能使液體的電解質(zhì)固化成準(zhǔn)固態(tài)。有機(jī)小分子的凝膠化過程可以在電池內(nèi)部完成，使其對敏化后氧化物薄膜滲透性好，體系

11、較為穩(wěn)定且電池的制備較為容易，它克服了液體有機(jī)溶劑電解質(zhì)和離子液體的不足，又能把二者的優(yōu)點(diǎn)很好地結(jié)合起來。，3.3固態(tài)電解質(zhì)由于液體電解質(zhì)存在的一些不可避免的缺陷，從實(shí)用角度考慮，用p2型半導(dǎo)體氧化物或固體有機(jī)穴材料或?qū)щ娋酆衔锎嬉后w電解質(zhì)將是染料敏化太陽能電池發(fā)展的一個(gè)方向。人們對固態(tài)電解質(zhì)一直以來就很感興趣，尤其以有機(jī)空穴材料研究較為活躍。固體空穴材料與敏化的半導(dǎo)體氧化物構(gòu)成p2n異質(zhì)結(jié)，其電荷分離動(dòng)力學(xué)過程為:敏化劑受光激發(fā)后，將電子注入到二氧化鈦的導(dǎo)帶中，氧化態(tài)的染料分子隨之將空穴注入到OMeTAD中，從而獲得再生。非晶有機(jī)半導(dǎo)體空穴傳輸材料的發(fā)現(xiàn)，是光電有機(jī)材料領(lǐng)域的一個(gè)亮點(diǎn)。固體

12、電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)雖然克服了一些問題，但也存在明顯的不足，如在半導(dǎo)體氧化物和空穴傳輸材料的界面處電子的復(fù)合速率比較高、傳導(dǎo)率低等，這也是今后努力的方向和研究重點(diǎn)。四、前景展望21世紀(jì)是一個(gè)能源緊缺的世紀(jì)，而隨處可見的光能是人類一直追尋的方向。染料敏化太陽能電池經(jīng)過近幾年的發(fā)展，其敏化燃料和電解質(zhì)的研究都已經(jīng)取得了階段性的成果，相信在磁性納米粒子的制備和應(yīng)用方面都將會(huì)有一個(gè)質(zhì)的飛躍。參考文獻(xiàn)GreenMA，EmeryK，HishikawaY，eta1SolarcellefficiencytablesJProgressinPhotovoltaics：ResearchandApplications

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