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染料敏化太阳能电池的发展和研究引言当今社会,能源危机及传统能源对环境污染程度日趋严重,开发清洁环保能源成为人类面临的重大问题,新能源因此也成为21世纪科学研究的重要领域之一。人类利用太阳能这一取之不尽的清洁能源的想法由来已久,最早是将它直接转换为热能利用,后来光生伏特效应的发现使太阳能利用领域更加灵活、广阔。所谓太阳能电池是指由光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前以光电效应工作的薄膜太阳能电池为主,而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段，太阳光照在半导体P-N 结上,形成新的空穴-电子对,在P-N结电场的作用下,空穴由N区流向P区,电子由P区流向N区,这样PN解两端就形成了电势，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳电池可以从其性能指标、产量、价格等方面来评价,太阳电池的性能指标有开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率等多项,其中最主要的指标是光电转换效率。图1 光生伏特效应原理图1 太阳能电池的发展1.1硅系太阳能电池硅是地壳中储量第二大元素，可以认为是永不枯竭的元素，具有耐高电压、耐高温、禁带宽度大、效率高、寿命长、可靠性强、性能稳定、无毒和制备工艺成熟等优点，是制备太阳能电池的一种理想材料。1941年首次报道了高纯单晶硅在光照下能产生很高的光电压响应[1]。1954年，美国贝尔实验室的D.Chapin和G.Peanon研制世界上第一块硅太阳能电池。目前绝大多数商业化的太阳电池是用硅制作的。硅系太阳能电池主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三类[2]。1.2化合物半导体太阳能电池化合物半导体太阳能电池是继硅系太阳能电池发明以来的第二代太阳能电池，主要是利用金属于其它元素复合而成的材料组成电池。世界上第一块化合物半导体电池是1967年制备成功的GaAs电池，其转换效率约为9%。自此以后各种化合物半导体电池相继问世。在现有研究中，II-VI族化合物和I-III-VI族半导体化合物以及与它相关合金系统CuLnxGa的薄膜材料显示出了明显优势，其中II-VI族化合物电池主要包括铜铟硒（CuInSe，简称CIS）电池和碲化镉(CdTe)电池，I-III-VI化合物电池主要包括砷化镓(GaAs)电池、磷化铟(InP)电池和锑化镓(GaSb)电池等[3]。1.3聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池是采用真空蒸镀或涂敷的方法，将不同的氧化还原型聚合物的复合在一起而成。常使用有机材料有聚乙烯基咔唑(PVK)、聚乙炔(PA)、聚对苯撑乙烯(PPV)、聚吡咯(PPy)以及聚噻吩(PTh)等材料。聚合物太阳能电池具有工艺简单、材料选择余地大、容易加工、毒性小，成本低和易于面积大制造等优点，可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池，分子结构还可以自行设计合成。1.4染料敏化太阳能电池前期研究开发的太阳能电池缺陷限制了其大规模应用，研究人员开始探索将价格低廉、安全环保和性能稳定宽带隙半导体应用到太阳能电池中。宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽到可见光区。1991年，瑞士洛桑高等工业学院的研究小组在太阳能电池领域取得了突破性进展，研制出以羧酸联吡啶钌(II)染料敏化的TiO2纳米晶多孔薄膜作为光电阳极的太阳能电池，称为染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cell)，其光电转换效率可达7.1%~7.9%，接近了多晶硅太阳能电池的转换效率[25,54]。染料敏化太阳能电池是基于纳米技术发展起来的一种新型太阳能电池，与传统的硅系和化合物半导体太阳能电池相比，具有更大的优越性。它采用价格低廉、安全无毒的纳米TiO2为材料，制作成本仅为硅系太阳电池的五分之一到十分之一，并且性能稳定，寿命可达20年以上[4]。这一重大突破为人类廉价和方便使用太阳能提供了更有效的方法，使人们看到了太阳能电池普及应用的希望。表1 不同类型太阳能电池性能比较2.1染料敏化太阳能电池的光电转换机理2.1.1染料敏化太阳能电池的结构与原理电池主要由透明导电基片、多孔纳米晶二氧化钛薄膜、染料光敏化剂、电解质溶液和透明对电极组成。其中镀有透明导电膜的玻璃基片与沉积在基片上的二氧化钛薄膜一起组成了光电极。染料敏化电池受光照时,染料敏化剂吸收光子产生电子-空穴对,电子快速注入到紧邻的TiO2 导带,并通过光电极进入外电路产生光电流；同时受激发的染料敏化剂在电解质中迅速得到电子补偿而重新还原,最后外回路电子回到对电极与电解质中的空穴补偿。在整个光电转换过程中只有光能转化为电能,各反应物的总状态没有发生变化。以I-/I3-电解液为例，染料敏化太阳能电池中的具体化学反应如下：(1)染料受激发产生电子的过程：S+hv→S*S*→S