染料敏化纳米晶体太阳能电池课件

染料敏化纳米晶体太阳能电池SeminarI指导教师：辛勤研究员孙公权研究员2004.04.12学生：李焕巧DMFC-305

主要内容研究背景工作原理研究进展

研究背景传统化石能源能源枯竭

石油：42年，天然气：67年，煤：200年。环境污染

每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。可再生能源：

风能；水能；地热；潮汐；太阳能等具有明显的区域性中华人民共和国国家发展和改革委员会

《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》

传统化石能源能源枯竭

石油：42年，天然气：67年，煤：200年。环境污染

每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成全球气候变暖；空气中大量二氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。可再生能源：

风能；水能；地热；潮汐；太阳能等中华人民共和国国家发展和改革委员会

《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》

太阳能电池按照所用材料的不同：硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）

（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料制备的大阳能电池（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池（正在研发）

Table1PerformancesofMainSolarCellsM.Grätzel,Photoelectrochemicalcells,Nature2001(414),338TypeofcellEfficiency(%)ResearchandtechnologyneedsCellModuleCrystallinesilicon2410-15Higherproductionyields,loweringofcostandenergycontentMulticrystallinesilicon189-12LowermanufacturingcostandcomplexityAmorphoussilicon137Lowerproductioncosts,increaseproductionvolumeandstabilityCuInSe21912Replaceindium(tooexpensiveandlimitedsupply),replaceCdSwindowlayer,scaleupproductionDye-sensitizedsolarcells10-117Improveefficiencyandhigh-temperaturestability,scaleupproductionBipolarAlGaAs/Siphotoelectrochemicalcell19-20-Reducematerialscost,saleupOrganicsolarcell2-3-ImprovestabilityandefficiencyMargolisandKammen,Science285,690(1999)EfficiencyofPhotovoltaicDevices195019601970198019902000510152025Efficiency(%)YearcrystallineSiamorphousSinanoTiO2CIS/CIGSCdTe

优点制成透明的产品，应用范围广；在各种光照条件下使用；

光的利用效率高；对光阴影不敏感；可在很宽温度范围内正常工作……

电池结构

染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs）（或称Grätzel型光电化学太阳能电池）主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底，染料敏化的半导体材料、对电极以及电解质等几部分。阳极：染料敏化半导体薄膜阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-

TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2导电玻璃：8~10Ω/□工作原理S+hνS*

S*S++e-CB(TiO2)S++A-S+A

A+e-(CE)A-Voc=1/q【（Ef）TiO2－(E（R/R-）)】

iph：短路电流；Voc：开路电压；ff：填充因子；

Is：入射光强度。总转化效率(输出功率与输入功率之比)：

评价性能的参数（二）影响电池光电转化效率的因素采光效率电子的注入收集效率有机光敏染料的光吸收性能有机光敏材料与纳米微晶半导体材料的能级的匹配电子在薄膜中的扩散性能研究进展敏化剂纳米半导体材料电解质其他方面……敏化剂分类联吡啶金属络合物系列

酞菁（Phthalocyanine）系列卟啉（Porphyrin）系列纯有机染料系列N3BlackdyeRef:NazeeruddinM.K.,etal.,J.Am.Chem.Soc.,1993,115,6382NazeeruddinM.K.,etal.,Chem.Commun.,1997,1705-1706联吡啶金属络合物系列Ref:HagfeldtA.andGrätzelM.,Acc.Chem.Res.,2000,33,269-277Wavelength[nm]卟啉系列和酞菁系列Ref:(1)A.Kay,M.Gratzel,etal.,J.Phys.Chem.1993,97,6272(2)M.M.ResslerandR.K.Panday,Chemtech,1998,3.39Ref:SayamaK.,etal.,Chem.Commun.,2000,1173Merocyaninederivative,Mb(18)-Nwithanoverallη=4.2%纯有机染料系列（一）

---半菁染料衍生物Ref:HaraK.,etal.,NewJ.Chem.2003,27,783NKX-2311NKX-2677纯有机染料系列（二）---香豆素衍生物NKX-2677Ref:HaraK.,etal.,NewJ.Chem.2003,27,783NKX－2677性能纳米半导体材料

金属硫化物、金属硒化物、钙钛矿以及钛、锡、锌、钨、锆、铪、锶、铁、铈等的氧化物均可用作DSSCs的中的半导体材料.

1999年,Guo（1）报道了Nb2O5染料敏化的太阳能电池.

2000年,Poznyak（2）等人还报道了纳米晶体In2O3薄膜电极的光电化学性质.在国内,目前北京大学的研究者（3）们对各种染料敏化纳米薄膜研究得较多。在这些半导体材料中,TiO2,ZnO和SnO2的性能较好.Ref（1）GuoP,AegenterMA..ThinSolidFilm,1999,351:290（2）PoznyakSK,KulakAElectrochimicaActa,2000,45:1595（3）李斌等，感光科学与光化学,2000，18，336纳米TiO2薄膜极材料ScanningelectronmicrographofthesurfaceofamesoporousanatasefilmpreparedfromahydrothermallyprocessedTiO2colloid.Theexposedsurfaceplaneshavemainly{101}orientation.Porosity:50%.Averageporesize:15nm;制备方法：溶胶凝胶法；水热反应法；溅射法；醇盐水解法；溅射沉积法；等离子喷涂法；丝网印刷法等微观结构（孔径气孔率）Ref：O’ReganB.andGrätzelM.,Nature,1991,353,737

固态空穴传输材料

Grätzel等人在1998年用2,2’,7,7’-四(N,N-二对甲氧基苯基氨基)-9,9’-螺环二芴(OMeTAD,如下图所示)作为空穴传输材料,得到了单色效率高达33%的电池。

BachU,LupoD,ComteP,etal.Nature,1998,395:583面临的主要问题染料问题（现在公认使用效果较好的N3制备过程较复杂,因而价格也比较昂贵。因此,寻找低成本而性能良好的染料成为当前研究的一个热点）纳米材料（如何