染料敏化太阳能电池

1、 染料敏化太阳能电池物理科学与技术学院化学物理学交叉培养班张玲玲2011213434摘要染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。关键词染料敏化太阳能电池原理制备一、染料敏化太阳能电池的基本结构染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（T

2、iO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化太阳能电池的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是13/I-。结构组成:Ti&.图1染料敏化太阳能电池的基本结构二、染料敏化太阳能电池的工作原理当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被

3、还原态的电解质还原。然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环,即产生电流。电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。A=I:礙子嶽问负载能圾正图2染料敏化太阳能电池的工作原理示意图21纳米晶多孔薄膜作为太阳能电池半导体材料，首要条件为光照下性能稳定。考虑到只有禁带宽度Eg3eV的宽带隙半导体才满足这一条件，因此可以用作DSC半导体材料的禁带宽度必须大于3eV。TiO2禁带宽度为3.2eV，是性能最优、使用最广泛的DSC半导体电极材料。所有的太阳能电池都是依靠光电效应将光能转化为电能.半导体的截止波长由下式计算：1240九=gEg式中：Eg为半导体禁带宽

4、度，入g为半导体的截止吸收波长.则禁带宽度为3eV半导体材料截止波长为413nm，而太阳光主要分布在可见光区域，而可见光光谱范围为390770nm，因此基本不能被吸收.为了使宽带隙半导体材料能够吸收可见光，必须通过某种方法将截止波长红移至红外区.吸附于半导体表面的染料可以使半导体的吸收边强烈红移。22染料分子染料分子是一类金属钌配合物，其激发是典型的金属到配体的电荷转移过程。也就是说，染料分子最高已占轨道(HOMO)在金属Ru附近，最低未占轨道(LOMO)位于吡啶环和羧基附近。激发时，电子从HOMO跃迁到LOMO,由于羧基和TiO2纳米晶粒子结合在一起，染料分子和半导体表面距离非常近，LOMO

5、电子波函数与TiO2部分重合，因此电子能够迅速注入半导体。2.3DSC中光生载流子的产生与传输虽然DSC与p-n结电池电子空穴对产生机理相同，即都是由光照下电子从禁带跃迁到导带而产生的，但是对于电荷的分离及传输两者是截然不同的。硅太阳能电池核心结构为pn结，电子与空穴通过在pn结空间电荷层内建电场实现电荷分离与传输。对于DSC,染料只产生电子空穴对，半导体只负责传输电子，电荷产生和传输是相互分离的。2.4电荷分离处于激发态的染料分子不稳定，容易发射电子而形成氧化态S+，发射的电子被注入半导体中扩散，这也要求半导体为N型材料。S+停留在半导体表面，通过与电解质中氧化还原对作用实现正电荷(空穴)的

6、传输。也就是说，空穴并没有进入半导体，而是通过电解质传输。电子注入半导体主要决定于染料分子的能带结构与TiO2导带位置。具体地说，染料分子能带位置必须满足两个条件，才能完成电子循环：a.染料激发态位置(LOMO)必须高于TiO2导带位置，以保证电子能迅速注入半导体。b.染料基态位置(HOMO)必须低于电解质中氧化还原对(I3/I)化学势，保证氧化态染料能被电解质还原。2.5电荷的传输和电解质中的离子传输由于纳米晶多孔薄膜由紧密相连的纳米晶颗粒堆积排列而成，电子在纳米晶颗粒间跳跃扩散。同时考虑电子的集体效应，由于贴近染料分子一侧有大量电子从染料注入，靠近导电基底一侧电子不断流向外电路，因此薄膜内

7、部电子浓度出现梯度差，有利于电子向导电基底一侧扩散。电子的扩散快慢程度用扩散系数来表征.扩散系数与半导体中由缺陷而引起的势阱有关。电子在纳米晶薄膜传输的同时，空穴(正电荷)以13形式从纳米晶薄膜表面一侧向对电极传输。电荷在电池中的传输机理是一个非常关键的问题，关系到如何选择优化半导体材料、如何减弱电子复合、如何设计染料分子结构等等。2.6电子复合效应在pn结电池结构中，电子在半导体材料中传输，遇到缺陷电子很容易被束缚，因此对半导体材料的晶化程度以及纯度都有相当高的要求。但在DSC中，纳米晶粒子间存在大量缺陷和晶界，但是这毫不影响电池性能。主要是因为电子在半导体薄膜中传输，而空穴在电解质中传输，

8、因此复合效应只能发生在半导体电解质界面。三、染料敏化太阳能电池电解质的研究进展在染料敏化太阳能电池中,电解质起到传输电子和空穴的作用,其中的氧化还原电对、有机溶剂、添加剂以及金属离子的种类都对电池的性能有重要的影响。理想的氧化还原电对要满足:在阴极应该具有快速的电子传输动力,较快地与电子发生氧化还原反应,以减少电子在阴极的积累;而在阳极又要表现出较慢的电子传输动力,以减少激发到半导体导带中的光电子与电解质中的电子受体或染料的氧化态反应。目前的DSSC中，应用的有液态电解质、准固态电解质、固态电解质等。3.1液态电解质广泛应用的电解质溶液液中氧化还原电对一般为I-/1-，有机溶剂主要有3腈类或碳

9、酸酯类，添加剂一般为42叔丁基吡啶或N2甲基苯并咪唑。由于I-/1-3电对的电势与N3染料基态的能级相比，具有0.6eV的相对差值，引起的电势损失较大。尽管液体电解质取得了较高的光电转换效率，但有机溶剂易挥发、密封困难，影响到DSSC使用寿命。而室温下的离子液体具有一系列的优点，诸如好的热稳定性及宽的电化学窗口、不易燃性、高的离子传导性、很小的蒸汽压力、毒性小等。在DSSC中用离子液体代替液态电解质有利于提高寿命和稳定性,具有广阔的前景。但离子液体的粘度系数相对较大，影响离子的扩散速率，导致DSSC的光电转换效率不高，这也是今后努力的方向。3.2准固态电解质考虑到液体电解质的不足，而它与胶凝剂

10、结合后形成的准固态电解质可有效地防止电解质泄露，延长电池的使用寿命，从而引起广泛的关注。用于DSSC的胶凝剂主要有:聚合物、纳米粉末和有机小分子胶凝剂。聚合物胶凝剂具有网格结构，液体电解质可以填充于其中从而达到固化的目的，其性能稳定，使用寿命较长。纳米粉末胶凝剂易于分散在极性较强的离子液体中，形成稳定的凝胶并且基本上不影响电池的性能，但由于纳米粉末容易发生团聚及沉降，获得的凝胶寿命有限。有机小分子胶凝剂主要是含有酰胺键和长脂肪链的有机小分子，通过酰胺键之间的氢键和长脂肪链之间的范德华力，能使液体的电解质固化成准固态。有机小分子的凝胶化过程可以在电池内部完成，使其对敏化后氧化物薄膜渗透性好，体系

11、较为稳定且电池的制备较为容易，它克服了液体有机溶剂电解质和离子液体的不足，又能把二者的优点很好地结合起来。，3.3固态电解质由于液体电解质存在的一些不可避免的缺陷，从实用角度考虑，用p2型半导体氧化物或固体有机穴材料或导电聚合物代替液体电解质将是染料敏化太阳能电池发展的一个方向。人们对固态电解质一直以来就很感兴趣，尤其以有机空穴材料研究较为活跃。固体空穴材料与敏化的半导体氧化物构成p2n异质结，其电荷分离动力学过程为:敏化剂受光激发后，将电子注入到二氧化钛的导带中，氧化态的染料分子随之将空穴注入到OMeTAD中，从而获得再生。非晶有机半导体空穴传输材料的发现，是光电有机材料领域的一个亮点。固体

12、电解质代替液体电解质虽然克服了一些问题，但也存在明显的不足，如在半导体氧化物和空穴传输材料的界面处电子的复合速率比较高、传导率低等，这也是今后努力的方向和研究重点。四、前景展望21世纪是一个能源紧缺的世纪，而随处可见的光能是人类一直追寻的方向。染料敏化太阳能电池经过近几年的发展，其敏化燃料和电解质的研究都已经取得了阶段性的成果，相信在磁性纳米粒子的制备和应用方面都将会有一个质的飞跃。参考文献GreenMA，EmeryK，HishikawaY，eta1SolarcellefficiencytablesJProgressinPhotovoltaics：ResearchandApplications

13、，2009，17（1）：85-94OReganB，GratzelMAlow-costhighefficiencysolarcellbasedondye-sensitizedcolloidalTiO2filmsJNature，1991，353（6346）：737-740DekiS，IizukaS，MizuhataM，etalFabricationofnano-structuredmaterialsfromaqueoussolutionbyliquidphasedepositionJJournalofElectroanalChemistry，2005，584（1）：38-43杨宏训，黄妙良，韩鹏，等.染料敏化太阳能电池研究进展J.材料导报，2006，20（9）：120-1235周迪，佘希林，宋国君金属有机类光敏剂在染料敏化太阳能电池中的应用J.贵金属，