染料敏化太阳电池研究进展及应用前景实用教案

1、演讲(ynjing)大纲1. 染料敏化太阳电池的概况2. 染料敏化太阳电池的特点及应用3. 提升染料敏化太阳电池竞争力的主要途径 第1页/共41页第一页，共41页。1. 1.染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池(ti (ti yn din ch)yn din ch)的概况的概况第2页/共41页第二页，共41页。单电池、组件(z jin)及户外系统n单电池n 组件(z jin)n户外(h wi)系统第3页/共41页第三页，共41页。1991年在年在Nature发表的论文发表的论文技术突破：在光电极上引入多孔技术突破：在光电极上引入多孔二氧化钛层二氧化钛层转换效率：转换效率：7.1%2010年年最高转

2、最高转换效率换效率突破突破12%第4页/共41页第四页，共41页。染料染料(rnlio)敏化太阳电池的结构敏化太阳电池的结构典型染料典型染料(rnlio)敏化太阳电池组成：敏化太阳电池组成：（1）光电极：）光电极：TCO+多孔二氧化钛层多孔二氧化钛层（2）敏化剂：染料）敏化剂：染料(rnlio)(N719/N3)+溶剂溶剂（3）电解质：）电解质：I-/I3-(LiI/I2)+溶剂溶剂（4）对电极：）对电极：TCO+Pt催化层催化层第5页/共41页第五页，共41页。染料敏化太阳电池的工作染料敏化太阳电池的工作(gngzu)原理原理第6页/共41页第六页，共41页。电荷分离电荷分离(fnl)机制机

3、制由内建电场实现(shxin)电荷分离半导体材料即参与电荷分离，又参与光子捕获P-N结太阳电池(ti yn din ch)染料敏化太阳电池由光合作用过程的动力学竞争实现电荷分离半导体材料仅参与电荷分离，不参与光子捕获第7页/共41页第七页，共41页。 目前从事染料敏化太阳电池研究的国家主要包括：澳大利亚、瑞士、德国、日本、美国、中国、英国等 无论从专利的申请数还是(hi shi)论文的发布数，日本最为活跃。 中国在染料敏化太阳电池的基础研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近第8页/共41页第八页，共41页。中国对染料敏化太阳电池(ti yn din ch)研究的贡献 新思路、新方法 如中国科

4、学院物理所孟庆波课题组提出的环境友好的复合电解质；清华大学林红课题组提出的新型高效低成本叠层柔性薄膜太阳电池等 材料制备及合成 在染料合成技术、纳米半导体薄膜研究、电池密封和电极研制上也取得一定的成果，如中国科学院长春应用化学研究所 王鹏课题组在新型染料研究和离子液态电解质上取得突破，实现自主研发染料C101，效率(xio l)达到11，基于混合离子液态电解质电池的效率(xio l)达到8.2 太阳电池组件 大面积电池组件(40 x60 cm ) 转换效率(xio l)达5.7%；中科院等离子体物理研究所戴松元课题组建成的国内首个500瓦染料敏化纳米太阳电池示范电站，转换效率(xio l)5%

5、中国国家重点基础研究计划(jhu)和纳米专项(973项目)先后三次对染料敏化太阳电池进行立项，先后在基础科学问题和关键技术问题上取得突破：第9页/共41页第九页，共41页。2.染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池的特点的特点(tdin)及应及应用用第10页/共41页第十页，共41页。材料成本较低、制备工艺简单转换(zhunhun)效率随温度上升而提升不同于硅基太阳电池电池两面均可以吸收光有利于吸收散射光制备出半透明或不同颜色的电池装饰功能强质量轻以及可制成柔性器件便于携带能源回收期较短小于1年较高的转换(zhunhun)效率最高转换(zhunhun)效率超出12%（数据来源：2008年M. Grt

6、zel教授的演讲）Roll-to Roll 技术技术(jsh)太阳电池太阳电池(ti yn din ch)盆景盆景通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶太阳电池背包太阳电池背包染料敏化太阳电池的特点染料敏化太阳电池的特点第11页/共41页第十一页，共41页。Roll-to Roll制造制造(zhzo)技术技术染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池(ti yn din ch)的特点的特点第12页/共41页第十二页，共41页。第13页/共41页第十三页，共41页。转换效率随温度转换效率随温度(wnd)上升而提升上升而提升染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池(ti yn din ch)的

7、特点的特点第14页/共41页第十四页，共41页。染料敏化太阳电池(ti yn din ch)作为装饰品做出的“Power Dressing”染料敏化太阳电池装饰装饰(zhungsh)功能功能染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池(ti yn din ch)的特点的特点第15页/共41页第十五页，共41页。染料染料(rnlio)敏化太阳电池制成的敏化太阳电池制成的“太阳叶太阳叶”太阳太阳(tiyng)叶结构叶结构通过通过(tnggu)调整敏化剂颜色获得的太阳叶调整敏化剂颜色获得的太阳叶染料敏化太阳电池的特点染料敏化太阳电池的特点第16页/共41页第十六页，共41页。染料敏化太阳电池的特征染料敏化太阳电

8、池的特征染料染料(rnlio)敏化太阳电池的特点敏化太阳电池的特点第17页/共41页第十七页，共41页。第18页/共41页第十八页，共41页。染料敏化太阳电池制成的手机(shu j)充电器电源质量轻、便于质量轻、便于(biny)携带携带染料染料(rnlio)敏化太阳电池的特点敏化太阳电池的特点第19页/共41页第十九页，共41页。第20页/共41页第二十页，共41页。染料敏化太阳电池在军染料敏化太阳电池在军事领域事领域(ln y)的应用的应用（美国）（美国）第21页/共41页第二十一页，共41页。染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池(ti yn din ch)在汽车上的应用在汽车上的应用染料敏化太

9、阳电池制半透明汽车(qch)挡板第22页/共41页第二十二页，共41页。染料染料(rnlio)敏化太阳电池作为屋顶的敏化太阳电池作为屋顶的应用应用第23页/共41页第二十三页，共41页。染料敏化太阳电池作为幕墙染料敏化太阳电池作为幕墙(m qin)的应用的应用第24页/共41页第二十四页，共41页。染料敏化太阳电池在野外帐篷染料敏化太阳电池在野外帐篷(zhng peng)的应用的应用第25页/共41页第二十五页，共41页。产业化情况(qngkung)1991年染料敏化太阳电池的转换效率实现飞跃式的提升1992年至1999年间，以德国光伏研究所(INAP)和澳大利亚STI公司为典型的产业化研究机

10、构进行了产业化前期的探索性研究2001年澳大利亚STI公司建立了世界上首条染料敏化太阳电池中试线2003年澳大利亚Dyesol-STI公司完成200 m2 染料敏化太阳电池显示屋顶，集中体现了未来工业化的前景2004年底，中国科学院等离子体物理研究所建立了500 W 染料敏化太阳电池示范(shfn)系统，并保持长期有效的运行，为今后实现产业化打下了基础2009年英国G24i 在全球推出首批商品化染料敏化太阳电池组件，其生产线生产能力为30百万瓦第26页/共41页第二十六页，共41页。 G24 Innovation （UK）产品(chnpn)第27页/共41页第二十七页，共41页。2004200

11、4年由中科院等离子体物理年由中科院等离子体物理(wl)(wl)研究所建研究所建成的国内首个成的国内首个500500瓦染料敏化纳米太阳电池示范瓦染料敏化纳米太阳电池示范电站电站转换效率：转换效率：5%5%（数据来源：中科院等离子体物理（数据来源：中科院等离子体物理(wl)(wl)研究所）研究所）第28页/共41页第二十八页，共41页。2008年世博览会展出的柔性年世博览会展出的柔性染料敏化太阳电池组件染料敏化太阳电池组件(z jin)（ 数据来源：数据来源：Yoshida 教授教授的演讲）的演讲）第29页/共41页第二十九页，共41页。2010年美国光付研讨会展示的染料敏化太阳电池(ti yn

12、din ch)组件第30页/共41页第三十页，共41页。3. 提升提升(tshng)染料敏化太染料敏化太阳电池竞争力的主要途径阳电池竞争力的主要途径第31页/共41页第三十一页，共41页。进一步提升染料敏化太阳电池的转换效率 短路电流的改善 开路电压的改善 填充因子的改善进一步改善染料敏化太阳电池的稳定性 液态电解质的替换准固态(gti)及固态(gti)电解质的开发 无机敏化剂的应用量子点敏化材料进一步减低染料敏化太阳电池的成本（材料方向） 对电极Pt取代材料 天然敏化剂如何进一步提升染料(rnlio)敏化太阳电池竞争力？主要(zhyo)思路：第32页/共41页第三十二页，共41页。1. 短路

13、电流的改善（1）二氧化钛光电极 加强入射光的路径强度散射层的引入 改善二氧化钛颗粒之间以及颗粒与TCO的接触TiCi4水溶液后处理 增加染料的吸附量增加二氧化钛的表面积 减少电荷的复合用金属氧化物进行隔离（2）染料 染料提纯发展新的染料提纯技术 提高染料的吸光率研制(ynzh)新型染料2. 开路电压的改善 减少暗电流光电极的表面修饰 TiO2导带负移3. 填充因子的改善 减小电池的内阻TCO的内阻、对电极催化层修饰等转换效率(xio l)改善主要途径第33页/共41页第三十三页，共41页。例子(l zi)1：散射层的引入散射层（颗粒尺寸约100nm的TiO2颗粒）第34页/共41页第三十四页，

14、共41页。例子2：用金属氧化物进行(jnxng)隔离第35页/共41页第三十五页，共41页。例子(l zi)3：减少TCO的内阻第36页/共41页第三十六页，共41页。量子点敏化材料的应用(yngyng)以取代染料常用(chn yn)的量子点有：CdS、PbSe、PbS、PbTe、 InAs、GaSb和Si等量子(lingz)点敏化太阳电池何为量子点？材料的尺寸达到10nm以下的窄禁带半导体具有两个明显的特点：能带分裂为不连续的能级；多激子效应量子点的形成的两种方法：基于分子束外延生长的物理自组织化生长基于溶液中胶体微粒的化学自组装形成.在TiO2纤维表面沉积的CdS量子点第37页/共41页第

15、三十七页，共41页。 例子1：北京大学物理电子研究所彭练矛研究小组采用一种简单的方法成功组装一种CdS量子点和TiO2纳米管阵列膜复合结构的光电极, 光电转换效率达到4.15%,开路光电压达到1.27 V,短路光电流达到7.82 mA/cm2，填充因子为0.578.。 例子2：J.chen等在碳纳米管上使用水热方法沉积ZnO纳米棒，然后浸入0.01M硝酸锌和0.01M的六次甲基四胺混合溶液，在高压灭菌器中95下加热10小时，将制备好的巯基乙酸(y sun)capped-CdSe量子点（尺寸约4.5nm）安装到ZnO棒的表面，形成CdSe量子点敏化的ZnO电池，获得了1.46的转换效率。依次(yc)为ZnO纳米棒、 碳纳米管/ZnO 、敏化前、量子点敏化后的形貌第38页/共41页第三十八页，共41页。对电极Pt取代(qdi)材料 有效的解决途径：为了探索合适的非Pt对电极，人们展开了大量艰辛的工作，并取得了一定的成绩，其中以碳材料(cilio)为催化层构成的碳对电极已展现出一定的优势并具有巨大的应用潜力。Pt对电极存在的是目前最