染料敏化太陽能電池的研究進展

染料敏化太陽能電池的研究進展開發(fā)利用太陽能是解決目前能源問題的行之有效的手段。目前發(fā)展最成熟的太陽能電池是硅基太陽能電池，單晶硅太陽能電池的效率已達到25%以上，但是它對材料的純度要求高、制作工藝復雜、成本昂貴，這極大地限制了它的廣泛應用。1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學院的Gratzel教授及其小組報道了染料敏化納米晶太陽能電池（dye-sensitizedsolarcells，DSSC）的光電轉化效率為7.1%，從此由于它簡單的制作工藝、相對高的光電轉化效率、低廉的成本等優(yōu)點迅速成為廣大科學家及科學工作者的研究熱點與重點。一、染料敏化太陽能電池（DSSC）的

結構與原理1.結構DSSC的結構是典型的“三明治”結構，光敏染料太陽能電池的構造和原理如圖1，一般是由光陽極、敏化染料、氧化還原電解質以及對電極（通常為鉑電極）組成。其中光陽極包括：透明導電基底（這里為導電玻璃）、納米多孔半導體。圖1染料敏化太陽能電池的結構與工作原理示意圖2.工作原理當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體的導帶中，注入到導帶中的電子迅速富集到導電玻璃面上，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電對的電位，這時處于氧化態(tài)的染料分子隨即被還原態(tài)的電解質還原。然后氧化態(tài)的電解質擴散到對電極上得到電子再生，如此循環(huán)，即產生電流。電池的最大電壓由氧化物半導體的費米能級和氧化還原電解質電對的電位決定。二、染料敏化太陽能電池的研究現狀1.光陽極上納米多孔半導體的研究進展DSSC光陽極上的半導體材料多采用納米多孔TiO2，它是染料分子的載體，同時分離并傳輸電荷。目前光陽極的研究重點主要是兩方面：①尋找制備半導體光陽極薄膜時，可以增大TiO2比表面積和改善TiO2表面活性的方法；②由于電子在TiO2薄膜中電子的傳輸阻力大，影響電池轉換效率的進一步提高，故尋找可以替代TiO2的其它半導體材料。1.1光陽極上半導體薄膜的制作方法制備光陽極納米多孔薄膜的方法很多，包括溶膠-凝膠法，粉末涂敷法、水熱法、液相沉積法、化學氣象沉積法、電化學法等。其中粉末涂敷法在工業(yè)生產中稱為絲網印刷法，具有工藝簡單、適合大規(guī)模生產等優(yōu)點，為電池的大規(guī)模工業(yè)化奠定了基礎。以上方法所制得的都是無序膜，內在的傳導率較小，不利于電荷載流子的分離和傳輸。電子在納米晶網絡的傳輸過程中與電子受體的復合也會引起電流的損失，在電極面積放大時尤為突出。未來膜電極的發(fā)展方向是制備高度有序的薄膜結構，如納米管、納米棒、納米線、納米陣列等。這些氧化物半導體薄膜垂直平行排列于導電玻璃片的表面，其結構的有序性，利于電子空穴對的分離和傳輸且易于控制，有望進一步提高短路電流和開路電壓。Nicholas等比較了高度有序的TiO2納米棒陣列、高度有序的TiO2納米管陣列、燒結的納米TiO2粉體薄膜的光電轉換效率，結果表明高度有序的TiO2納米棒陣列薄膜作為光陽極時，光電轉換效率最高，達到了5.4%。1.2光陽極上半導體薄膜的改性方法為了提高DSSC半導體薄膜中電子的傳輸效率，需要對薄膜表面進行修飾，常用的方法有表面改性、半導體復合、離子摻雜以及紫外誘導等。表面改性有TiCl4表面處理，TiCl4表面處理后的TiO2膜電子注入效率提高[17]，單位體積內的TiO2量增多[18]，TiO2的導電帶邊位置降低[19]，最終提高了電池的開路電壓與短路電流。黃春輝等[20]還使用酸處理對薄膜表面進行改性，電池的電流、電壓與轉換效率都有提高。半導體復合敏化是在TiO2膜表面包覆一層導帶位置比較高的氧化物半導體，敏化后的薄膜能更有效地吸收光能，復合膜的形成能夠改變薄膜中電子的分布，抑制載流子在傳導過程中的復合，提高電子傳輸效率。例如，TiO2表面包覆ZnO、Nb2O5、SrO、CdS、PbS等金屬氧化物后電池效率均有提高[21]。再如，莊東填等[22]在TiO2光陽極表面分別包覆了一薄層Al2O3、MgO、ZnO之后，得到DSSC的光電壓都有明顯的增大。離子的摻雜會影響電極材料的能帶結構，會抑制電子空穴對的復合，提高光生電荷的分離效率，離子摻雜一般是摻雜稀土元素與過渡金屬元素[23-24]。UV紫外照射，也會提高電池的光電轉換效率，2001年，Suzanne等[25]用紫外光照射TiO2電極后發(fā)現，光電流得到大幅度的提高，整體的光電轉換效率提高45倍，并且當停止紫外光照射后，UV對電池的影響作用仍然存在一段時間。1.3光陽極上半導體薄膜材料有研究表明電子在TiO2薄膜中的運動受到束縛，在多孔膜中停留時間長，和電解質的復合的概率大，導致暗電流增加，從而降低了TiO2電池總的效率?？梢源鎀iO2的氧化物半導體有ZnO、SnO2、Nb2O等。在這些材料中，ZnO是最有可能成為替代TiO2的氧化物之一，電子在ZnO中有較大的遷移率，有望減小電子在薄膜中的傳輸時間。且納米ZnO的制備要比TiO2簡單得多，可以進一步降低電池成本。曾隆月等使用絲網印刷法制備納米ZnO作為光陽極制作染料敏化薄膜太陽電池，得到的電池效率高達2.22%。最近有報道使用20nm的ZnO粉體制成薄膜，組裝成電池得到的光電轉換效率η提高到6.58%。2.敏化染料的研究進展敏化染料在DSSC中起著吸收可見光并提供電子的作用，是電池的關鍵組成部分。高性能的敏化染料首先要能夠很好的吸附在半導體表面，其次敏化染料的禁帶寬度需要比半導體薄膜的禁帶寬度