《今日化学——染料敏化太阳能电池.》.pdf

染料敏化太阳能电池研究状况与感想 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（摘自百度百科）。 1991 年Grtzel教授等以纳米多孔TiO 为半导体电极，以Ru络合物作为敏化染料，选用I /I3- 2 2 氧化还原电解质，制作了一种新型的TiO2 纳米晶染料敏化太阳能电池(DSSC)，在 1sun(AM1。 -2 5:100mW ·cm )，即一天中最大的照射条件下，得到了7.1%的光电转换效率。1997 年Grtzel 教授等将该电池的光电转换效率提高到10%~11%，短路电流达到18mA/cm2 ，开路电压达到 720mV 。染料敏化太阳能电池的成本仅为硅太阳能电池的1/5~1/10，其潜在的低成本、相对 简单的制作工艺和技术的优势赢得了广泛的关注。1 染料敏化太阳能电池的结构主要包括3 个组成部分:纳米晶半导体薄膜、染料敏化剂、电 解质。而不同的组成部分的不同结构，对染敏电池效率的影响也不同。 当前情况下，染料敏化太阳能电池存在许多问题： 虽然具有理论转化效率高，制备工艺简单，透明性强，对温度和入射光角度依赖小，成 本低（仅为硅系太阳能电池的1/5 以下）等众多优点，但由于这种新型太阳能电池的发展时 间还比较短，在较短时间内，实现产业化，还存在许多问题： 1. 光电转化效率： 自从1991 年Gratzel 发明DSC 以来，世界各国研究者竞相模仿，但只能得到 2%一3%的光电转换效率。通过几年努力，目前一般可达到7%一8%的光电转换 效率。可见Gratzel 体系本身就具有很多技术秘密，而要想进一步提高其光电转 换效率，还需花很大努力。 2. 长期稳定性： DSC做为能够在户外使用的太阳光发电设备，除了光电转换效率以外，一个 非常重要的指标是长期稳定性。DSC一般使用由有机溶剂和含有I-/I3-一氧化还原 对构成的液体电解质，这是损害稳定性的主要原因。高温下封装材料和多孔Ti02 膜的剥离、对电极上的白金胶粒的脱落、敏化染料的脱落等都会对DSC稳定性造 成破坏性影响。另一方面，由于使用液体电解质可能引起的电解质的热化学反 应分解，由绝缘破坏引起的短路，非可逆光电化学反应等等也有可能破坏其稳 定性。2 3. 大规模应用： 由于硅系太阳能电池的稳定性以及较长使用年限，大量硅系太阳能电池尚未 达到使用寿命或更换年限。尚未见大规模应用染料敏化太阳能电池的案例。而 由于之前两个原因，也就影响了其大规模应用的试验。 通常情况下，一般认为，影响太阳能电池转换效率的因素有： 1、敏化燃料： 敏化染料直接影响到对光子的吸收和整个电池的光电转化效率，因此敏化染 料应该具有以下条件: 1) 与TiO2 纳米晶半导体电极表面有良好的结合性能，能够快速达到吸附平 衡，而且不易脱落； 2) 在可见光区有较强的、尽可能宽的吸收带以吸收更多的太阳光，可以捕 获多的能量，提高光电转换效率; 3) 染料的氧化态和激发态的稳定性较高，且具有尽可能高的可逆转换能力； 4) 激发态寿命足够长，且具有很高的电荷传输效率; 5) 有适当的氧化还原电势以保证染料激发态电子注入到TiO2 导带中; 6) 敏化染料分子应含有大二键、高度共扼、并且有强的给电子基团。 2、TiO2 纳米多孔膜： TiO2 纳米多孔膜具有孔隙率高，比表面积大的优点，应用于DSC，一方面