太阳能电池的原理

纳米晶TiO2太阳能电池摘要：太阳能电池的发明，为能源短缺的今天提供了一条很好的解决途径。本文详细论述了太阳能电池的原理，以及二氧化钛太阳能电池的原理以及应用。关键字：TiO2太阳能电池环境污染和能源短缺是现在面临的两大问题。电能是一种高品位能量，利用、传输和分配都比较方便。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，世界各国都十分重视。这里详细介绍TiO2太阳能电池。一、 太阳能电池太阳能电池是一种利用光电材料吸收太阳光光能后发生光电转换反应的器件。太阳能光电池可分为固体光电池和液体光电池。前者如硅太阳能电池；后者如半导体电解质太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础。根据所用材料的不同，太阳能电池又可分为：硅太阳能电池；无机化合物太阳能电池如神化稼、硫化镉、铜钢硒电池；有机/聚合物太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。尽管制作电池的材料不同，但其材料一般应满足以下几个要求：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；对环境不造成污染；便于工业化生产且性能稳定。二、 Ti02纳米太阳能电池的制备合成Ti02纳米粒子，方法有很多，多数用水解法，然后制备TiO2纳米晶膜，即将T102纳米微粒均匀沉积在导电玻璃的导电面形成10nm厚的纳米多孔膜，在控温炉内于450X：500X：高温下最烧30min,形成纳米粒子间的电接触，其粗糙度达780。最后在纳米粒子上吸附一层高效染料敏化剂形成光阳极，其中染料为RuL2(n-(CN))RuV^L^,(L为2,2'-bipyridine-4,4'dicarboxy1icacid,L'为2,2'-bipyridine)电解液为0.5mol/L碘化四丙胺和0.04mol/L碘，溶剂为v(碳酸乙烯酯)：v(乙E)=80:20的混合物，对电极是沉积很薄一层铠且经缎烧的导电玻璃。这种电池对太阳模拟光总的光电转换效率为7.9%,对散射日光光电转换效率为10%。三、电池的结构和工作原理纳米晶化学太阳能电池是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米晶二氧化钛并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。电池的基本结构主要包括透明导电基片(导电玻璃)，多孔纳米Ti02薄膜、染料、敏化剂、电解液和透明对电极几个部分。M血坡璃透明电极图1液.体电解盾播料敏化二氧化轶电池的结构示老因Fig.1ThesuuttuieofcJye-sensHizedTiO；solarcellusedliquid-electrolyte电子能级的相对位置决定光生电荷的产生和传输特征。当能量低于半导体纳米T102禁带宽度但等于染料分子特征吸收波长的人射光照射在电极上时，吸附于Ti02表面的染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，处于激发态染料分子向Ti02纳米晶导带中注人电子，电子在Ti02纳米晶导带中靠浓度扩散流向基底传向外电路。由于纳米粒子掺杂浓度低，因而减少了复合机会，而染料分子失去电子后变为氧化态，此时氧化态的染料分子再由对电极提供电子而变为原状态，从而完成一个光电化学反应循环，形成光电流。整个过程由式(1)一(4)表示：第一阶段是染料分子被激发.激发电子注入Ti02导带，产生光电流；S"+hvfS*S*-S*+e"(2)第二阶段是电子在Ti02薄膜中的输运；第三阶段是电子在Ti02薄膜中的收集；第四阶段是电子在外电路中传递；第五阶段是电解所被还原；11+2e—31.第六阶段染料被还原；Ti02(导带)+e_fTiO2(eQ S++R-S°+R4(3)RA+e〜——R(4)其中：S°-基态染料分子；S*—激发态染料分子；s+一氧化态染料分子；R7R一氧化还原对。

导电玻轴电极电势"i二氧化钱染料导电玻轴电极电势"i二氧化钱染料负戟图2TiO2纳来丸阳能电池工作原理田Fig.2TheprincipleofopfrAtionofthedye—sensitizedTOnan6etystalJinesolarcell四、纳米晶化学太阳能电池的影响因素纳米二氧化钛膜纳米二氧化钛的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大。首先，纳米膜的多孔性使得它的比表面积远比其几何面积大，从而大大提高了其表面吸附能力，有利于染料分子的吸收和吸收太阳光，同时提高光电量子效率。另外，纳米二氧化钛的粒径小也会导致其大的比表面积，但同时其电极的孔径将随着变小。一般情况下，表面积越大，吸附能力越强，吸附染料分子越多，光生电流也就越强。但另一方面孔径变小不利于光电效率的提高，因为小孔吸附染料分子后，剩余的空间太小，导致电解所在其中的扩散速度降低，从而电流产生效率下降。除纳米二筑化钛外，其它的半导体筑化物如氧化锌(ZnO)，筑化锡(Sn02)和氧化视(Nb2O5)也都可作为二氧化钛的替代品，但其转化效率都远不及二^化钛太阳能电池，分别只达到1.2%,1.4%和4%，尽管它们的禁带宽度都在3.2左右，见表1。

电池类型掬路电说甲度(mA1cm-)开路电压稳定转化效率 % 硅系太阳能电池单晶硅23.3宇晶硅19.9非晶硅&2713无机化合物太阳能电池GiAs27.11.03823.3GilnP13.91.32114.7GmAs-GiSb31.1CIS17.1聚合物太阳能电池MEH-PP\CW7纳米晶化学太阳能电池TiO:16.90.S2310ZkO1.2S0O21.4Nb-O?12.40.674(2)染料敏化剂染料是染料敏化纳米晶太阳能电池中的重要组成部分。敏化剂与半导体表面的化学键合不仅可以使敏化剂牢固的吸附到表面上，而且还可以增强电子耦合及改变表面态能量有利于电荷的转移。研究结果表明通过优化染料敏化剂，如配位体和前趋体及其制备工艺，可以提高二氧化钛太阳能电池的光电转化效率。如利用榭系列配合物敏化剂，其光电转化效率可超过10%。⑶电解质染料敏化纳米晶太阳能电池的电解质溶液中的^化还原对一般为13-/1-，其作用是还原被氧化的染料分子。溶剂和金属离子的种类变化对电池的电流输出影响较大。另外对电极的周列向也不可忽略。电解质中13-需要在对电极上得到电子以便再生成I-。一般的对电极是一层金属铠。但铠的成本太高，不利于电池的广眨应用。由于碳高的导电性能和对13-高的催化性能，因此也可利用多孔碳电极作为对电极，同样可达到理想的效果。(4)电池封装及结构致密是影响电池性能和使用寿命的关键，因此封装材料要求比较高不仅要抗温度变化和太阳光爆晒，还要有对抗电解质腐蚀的长期稳定性。电池组是由多个单电池组成的，可以提高其输出功率。它可以串联或/和并联的方式把多个单电池组合在一起。五、纳米二氧化钛的优点：①可以制成透明的产品；②可以在各种光照条件下使用；③对光线的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光；④可在柔性基底上制备，扩大了应用范围；⑤工作温度宽，可高达70摄氏度；⑥成本大大降低.六、液态电解质存在的缺陷由于密封工艺复杂，长期放置造成电解液泄金录，且电池中还存在密封剂与电解液的反应；在液体电解质中，电极有光腐蚀现象，且敏化染料易脱附；高温下溶剂挥发会导致其与染料作用使染料降解；电解液内存在氧化一还原反应以外的反应，会使离子反向迁移导致光生电荷复合机会增加，降低光电转换率；光生电荷在光阳极的迁移靠扩散控制，这使光电流不稳定；电池形状设计受到限制。为了解决液态电解质带来的这一系列问题，学者们以固态空穴传翰材料取而代之制备出全固态纳米太阳能电池，并取得可喜的成就。所以对染料敏化纳米晶太阳能电池应从以下几个方面进行研究。纳米材料制备：电子在纳米晶传输过程中会与电子受体发生复合从而引起电流损失，因此需要在探索电极微结构与光电性质的基础上，寻找制备方法简单，性能优异的TiO2纳米晶材料，以减少电子在传输过程中的损失。界面特性：Ti02与染料之间，Ti02、染料敏化剂和电解质三者之间，Ti02与导电玻璃之间等都存在界面问题，因此需要对界面之间的电子注入和传输机理进行研究。提高电池的开路电压：现在所制得染料敏化纳米晶太阳能电池的开路电压较低，一般都小于1V，提高开路电压将是今后研究的一个方向。染料：设计合成成本低，性能良好，能吸收大部分可见光敏化染料，从而提高染料敏化纳米晶太阳能电池光电转换效率。电解质：目前使用的液态电解质，由于存在一些问题，使得全固态纳米太阳能电池成为一个重要的研究方向，以提高其稳定性和使用寿命。大面积电池：要想使染料敏化纳米晶太阳电池走向实用化和产业化必须对大面积电池进行研究。染料敏化纳米晶太