染料敏化太阳能电池的研究现状和发展趋势.pdf

洛阳师范学院学报 2006年第 2 期 ·51 · 染料敏化太阳能电池的研究现状及发展趋势 1 2 1 刘向阳 , 孙国锋 , 尚仲伟 ( 1. 河南大学物理与信息光电子学院 , 河南开封 475004; 2. 濮阳市三安化工有限公司 , 河南濮阳 457000) 摘 　要 : 文章简要介绍了染料敏化纳米二氧化钛薄膜太阳能电池的基本结构 、工作原理 , 并 论述了研究现状 、进展以及发展趋势和存在的问题. 关键词 : 纳米二氧化钛 ; 染料敏化 ; 太阳能电池 中图分类号 : O644 文献标识码 : A 文章编号 : 1009 - 4970 (2006) 02 - 005 1 - 06 收稿 日期 : 2005 - 10 - 0 1 ( ) 作者简介 : 刘向阳 1976 - , 男 , 河南濮阳人 , 助教 , 硕士. 进入 20世纪以来 , 伴随着人类工业文明的迅速发展 , 煤 、石油 、天然气等矿物资源 日益枯竭 , 由 此引发的能源危机和环境污染已成为亟待解决的严重问题. 因此人们迫切需要寻找其他新的可替代能 源. 太阳能具有取之不尽 、用之不竭 、安全可靠 、无污染 、不受地理环境制约等诸多优点 , 愈来愈受到 广泛重视. 1991年 , Gr a¨tzel领导的研究小组在太阳能光电池领域取得了突破性进展 , 研制出用羧酸联吡啶钌 ( II) 染料敏化的 TiO 纳米晶多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池 , 称为 Gr a¨tzel 电池或染料敏化纳 2 ( ) 米晶体太阳能光电池 Dye - Sen sitized N anocrystalline Photovoltaic Cells . 其光电转换效率由原来的不到 1%提高到7. 1% ～7. 9% [ 1 ] , 接近了多晶硅光电池的转换效率 , 而成本仅为硅光电池的 1/ 10 ～1/ 5, 使用 寿命可达 15年以上. 这一重大突破使得有机染料敏化的太阳能电池向实用阶段迈进了一大步. 1998年 , Gr a¨tzel等人 [ 2 ]又研制出全固态纳米晶体光电池 , 利用固体有机空穴传输材料替代液体电解质 , 单色光电 转换效率可达 33%. 由于这种电池具有成本低 、制作工艺简单 、稳定性好等优势 , 引起了全世界的关注. 1　基本结构和原理 染料敏化太阳能电池由镀有透明导电膜的导电基片 、多孔纳米晶二氧化钛薄膜 、染料光敏化剂 、 ( ) 电解质溶液及透明对电极等几部分构成 图 1 , 其工作原理如图 2所示. ( ) 当能量低于二氧化钛禁带宽度 Eg = 3. 2 eV 、且 大于染料分子特征吸收波长的入射光照射到电极上时 , 吸附在电极表面的染料分子中的电子受激跃迁至激发 态 , 然后注入到二氧化钛导带 , 此时染料分子自身转变 为氧化态. 注入到二氧化钛导带的电子富集到导电基片 上 , 并通过外电路流向对电极 , 形成电流. 处于氧化态 的染料分子则通过电解质溶液中的电子给体 , 自身恢 复为还原态 , 使染料分子得到再生. 被氧化的电子给体 　　图 1　液态电解质染料敏化二氧化钛太阳能 扩散至对电极 , 在电极表面被还原 , 从而完成一个光电