染料敏化纳米薄膜太阳能电池_图文

1、 V o l 47 N o 4 染料与染色 35 DYESTU FFS AND COLORAT I ON 第 47 卷第 4期 有电导 率高、质轻、稳定 等优 点 等 36 。 2008 年 , W u 定影响, 寻找合适大小的孔径是目前有待继续研究的 一个问题; T iO2 纳米颗粒尺寸太小时 , 晶界势垒 会阻碍载流子传输; 较大时, 光散能力强, 有利于染 料分子对光的吸收; 但如果太大, 比表面积就会降 低, 染料的吸附率降低。因此, 寻找最 佳的纳米尺 寸, 使之有较大的表面粗糙度和较强的光散射性能是 待研究的问题。综上所述 , 改善 T iO2 薄膜的微结构 参数是提高其性能指标的

2、根本途径。 T i O2 薄膜的微 结构参数可以在制备过程中进行控制和优化 , 但有时 受制备过程条件的限制 , 不能达到所需要的需求, 需 要在制备后进一步优化。化学修饰方法灵活简便, 因 此是对微结构改善和优化的有效手段。此外 , 制备复 合半导体多孔薄膜电极也是研究的重点。常用的半导 体化合物有 CdS 、 ZnO、 PbS 及 A l2 O3 等。 ( 2 对电极 由于传统的铂对电极价格昂贵, 电荷传输电阻较 大, 实际应用受到了限制。使用石墨、炭黑、碳纳米 管、活性碳等碳材料作为对电极, 虽使成本降低, 但 研究仍处于初期阶段, 制作工艺仍需进一步优化。 ( 3 上转换发光层 上转换

3、发光层拓宽了电池的吸收光谱 , 且其大颗 粒具有光散射性和反射性, 提高了光子的捕获率。但 是上转换发光层仍存在吸光范围单一和转换效率较低 等不足, 这将是下一步研究的重点。 ( 4 电解质体系 高分子固态和准固态电解质虽然解决了液态电解 质存在的易挥发、封装困难以及稳定性差等缺点, 但 仍存在以下问题: 电导率低; 浸润性差; 与 Ti O2 膜表面的亲和性差 ; 高结晶性。致使所组装 将聚吡咯纳米颗粒附着于导电玻璃上作为对电 极, 光敏染料采用 N719 , DSSC 的光电转换效率高达 7 7 % 。因此 , 进一步改进和完善多孔、 高比表面积碳 基材料和高分子聚合物导电材料等非金属类对

4、电极材 料的制备工艺, 提高其电性能 , 是下一步的研究重点。 6 上转换发光层 作为阳极染料敏化纳米晶 T iO2 薄膜对光的吸收 范围在 290 780 nm 之间。因此, DSSC 对占太阳光 全部能量高达 43 % 的红外光几乎没有吸收。研究发 现, 利用上转换发光材料将红外光转换为电池可以吸 收利用可见光和近紫外光, 是提高电池对红外光的吸 收, 从而提高电池光电转换效率的一个新途径。上转 换发光是指当采用波长较长的激发光 ( 如红外光 照射掺杂稀土离子的样品时, 发射出波长较短的光 (如可见光 的现象。李树全等 37 , 38 采用水热法和高 温煅烧法分别制备了掺 E r3+ 和

5、H o3+ 的 T i O2 上转换 发光层, 将吸收光谱拓展到了红外光, 且其大颗粒又 具有光散射性和反射性, 增加了光在薄膜中的传播路 程, 提高了光子的捕获率。经过优化, 在 80mW / c m 高达未加入上转换层电极效率的 2 6 倍和 4 6 倍。 2 红外光照射下, 上转换发光电极的光电转换效率分别 7 前景展望 DSSC 以其优良的性能、低廉的成本以及分子的 可修饰性而备受瞩目。虽然 DSSC 的研究已经取得了 一定的进展, 但其光电转换效率仍然有着很大的改善 空间。下面从纳米晶半导体薄膜、对电极、上转换发 光层、电解质体系及染料光敏化剂等几个方面对当前 DSSC 研究中存在的

6、问题及对策进行分析, 并对今后 的研究方向进行展望。 ( 1 纳米晶半导体薄膜 单层吸附染料的 T iO2 薄膜对入射光的吸收率 小; 多层吸附染料的 T iO2 薄膜, 内层染料会对外层 染料分子的传输起到阻碍的作用, 因此, 可以通过增 加表面粗糙度来解决这个问题。增加表面粗糙度可以 吸附更多的单层染料分子, 入射光可以在粗糙表面多 次反射, 从而提高对光的吸收率。为了提高表面粗糙 度, 可以使用分散均匀、高比表面、高结晶度、高电 子传输能力的半导体纳米管、线、杆阵列膜或自组装 阵列膜来代替平整膜, 提高染料在 T i O2 薄膜表面的 吸附能力; 14 的 DSSC 的光电流、光电压及转

7、换效率都低于液态电 解质电池。因此, 在太阳能电池的长期稳定性和光电 转换效率方面还需要进行深入研究。下一步的工作可 以从以下几个方面来改善电解质的性能: 子聚合物的结构, 优化其分子量; 部的结晶性 , 提高电导率; 纳米物质进行修饰; 物进行不同状态的掺杂。 ( 5 染料光敏化剂 联吡啶钌配合物染料敏化剂价格昂贵, 合成复 杂; 而纯有机染料对环境的相容性好, 易合成易降 解, 成本较低, 摩尔消光系数高, 分子结构多样, 种 类繁多; 而且还具有激发态寿命长 , 易于和半导体进 改善高分 采用共聚的办法 在一个电解质体系中使用多种凝胶剂, 降低电解质内 对加入电解质体系中的 对不同结构的

8、导电高分子聚合 孔径的大小对电解质的渗透和扩散有一 染料与染色 V o l 47 N o 4 周娴, 等 染料敏化纳米薄膜太阳能电池 na, l 2008 , 14 ( 15 : 4458- 4467. 2010 年 8月 行界面电荷转移 , 化学性质稳定, 可见光谱吸收范围 较宽。因此, 有关纯有机染料敏化剂的研究近年来得 到了迅速发展。但单色光光电转换效率和电池的光电 转换效率与金属配合物染料还有一定的差距, 性能还 需要进一步地提高。通过分析 , 可以从以下几个途径 来解决: 从改善有机染料分子结构入手, 合成多基 优化染料分子的结构来控制染料与 元的超分子, 每个基元都能吸收光能, 从

9、而增加吸收 光谱的宽度; Ti O2 界面工艺, 以降低复合几率以及团聚现象; 电子给体和受体之间的共轭基团有待优化。例如引入 噻吩基加长了 桥基体系, 能够使染料的吸收光谱 红移 , 吸收光谱更宽; 但是形成的异构体, 造成了合 成工艺复杂化, 并导致染料分子的稳定性降低。因此 要继续探索即能保证稳定性高又能使光谱红移 , 并具 有宽且强的光谱响应的新的优化 共轭体系的方法 ; 选择合理的共敏化的方式, 抑制共敏化体系中各染 料的相互作用, 即能拓宽染料的吸收光谱, 又能使各 染料之间能量匹配。 DSSC 电池具有低成本、高效率的特点, 虽然目 前还存在一些问题, 但应用前景十分广阔。我们相

10、 信, 通过相关研究人员的共同努力, 对电池各组成部 分的性能进一步优化, 在不久的将来, 这种太阳能电 池将会得到广泛应用。 参 考 文 献 1 郑冰 , 朱海军 , 白续铎 . 有 机染料敏化纳米晶太阳能电池 J . 化学进展 , 2008, 20 ( 6 : 828- 840 . 2 L i B , W ang L D, K ang B N, et a.l R eview of R ecen t Progress in tu res forD ye S ensit ized Solar C el ls J. Ch e m istry A European Jou r 9 Zhao Y,

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32、 dye sensitized nano crystalline so lar ce lls w ere introduced briefly . The latest research resu lts and status of each co m ponent of solar cells were introduced e mphatica lly , including nano- crysta lline fil m s, electrolyte syste m, dye sensitizer , counter electrode and upconversion lum ine

33、scence . T he research progresses of h igh- mo lecular poly m er gel electro lyte and electr ic high mo lecular poly m er so lid e lectrolyte were ma inly introduced in the part o f e lectro ly te system. F ina lly , the proble m s ex isted in study nowadays w ere d iscussed . T he thoughts and stra

34、 teg ies for i m proving the pho toe lectric conversion e ffic iency w ere suggested and the future developm ent w as overv ie w ed. K ey word s : dye sensitized so lar ce lls ; photoe lectric conve rsion effic iency ; dye sensitizer ; electro lyte ( 上接第 8 页 ( 收稿日期 : 2010年 4 月 PAN Hua jin ( Physics& Chem is try Sectio n o f Basic Depart m en, t O rdnance Eng ineeri