(教育)染料敏化太阳电池TiO2光阳极研究进展.ppt

School of Materials Science Engineering 阿尔茨海默症防治相关知识埃及的金字塔有建造方法动画艾司洛尔在神经外科重症中的应用二级二班防溺水等安全教育 阿尔茨海默症防治相关知识埃及的金字塔有建造方法动画艾司洛尔在神经外科重症中的应用二级二班防溺水等安全教育 本文简要介绍了染料敏化太阳能电池（DSSC）的工作原理，综述和讨论了TiO2光阳极制备技术、材料的优化和结构的改进的国内外研究进展，并对染料敏化太阳能的应用前景和今后研究工作的重点进行了展望和讨论。 摘要 近年来，随着能源需求的急剧增加以及环保、节能意识的加强，太阳能电池的研究越来越受到人们的重视，其中纳米尺度的TiO2半导体因具有较高的禁带宽度和稳定的耐光腐蚀性而被认为是极具潜力的光电极材料。 1991年，瑞士洛桑高等工业学院 (EPFL)的Gratzel等报道了利用纳米晶TiO2多孔膜和联吡啶钌配合物得到光电转换效率为7.1%的染料敏化太阳能电池，这一突破性进展为太阳电池研究提供了一条新的途径。 1.引言 2011年11月4日，Michael Graumltze报道了DSSC光电转换效率已经达到12%；由于染料敏化太阳电池相对低廉的价格和简单的制作工艺，它将有可能取代传统硅太阳电池，成为未来太阳电池的主导。 左图为澳洲Alan Gilbert建筑，右图为英国CIS Tower，外部均覆盖太阳能板 但是纳米TiO2电极还存在一定的问题 1）禁带宽度较大 (锐钛矿型为3.2eV)，只能吸收紫外区域的光，导致其对太阳能的利用率较低； 2）TiO2薄膜中存在着大量的表面态，表面态能级位于禁带之中，构成陷阱，束缚了电子在薄膜中的运动，使电子在薄膜中的传输时间延长； 3）由于薄膜太阳能电池的半导体与电解液界面上没有过渡层，反向电子转移会产生暗电流，从而降低了TiO2电池总的效率。 本文侧重介绍染料敏化纳晶太阳电池中TiO2光阳极的发展和研究现状。 纳米多孔半导体薄膜：通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO、Al2O3或Nb2O5等）。 染料敏化剂：通常为多联吡啶钌络合物染料；纯有机染料：卟啉、香豆素、吲哚、二萘嵌苯、半花菁；量子点染料。 氧化还原电解质：最常用的是I-/I3-。 对电极：通常为铂对电极。 导电基底：通常为透明导电氧化物（TCO）玻璃板。 2.DSSC的结构和工作原理 2.1.DSSC的结构 2.2.DSSC的工作原理 图1 DSSC典型的工作原理图 Fig.1 Typical operating principle of DSSC 太阳光照射到电池上，染料分子吸收太阳光能，电子受到激发跃迁到激发态 激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的较低能级的TiO2导带上，通过导电膜向外电路输送电流 处于氧化态的染料失去的电子则很快从电解质中得到补偿，从而还原再生 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环 目前广泛使用的是由Gratzel报道的溶胶-凝胶手术刀涂膜 (doctor-blade)技术。 利用该技术制备的多孔膜，比表面积较大，膜的平整度较好，制备的电池光电转换效率高，缺点就是操作复杂，难以实现规模化制备。 3.纳米晶TiO2光阳极的发展 3.1.纳米晶TiO2光阳极的制备方法 溶胶-凝胶手术刀涂膜 (doctor-blade)技术 异丙醇钛 硝酸的水溶液 80℃下水解8h 白色溶胶 锐钛矿晶型 TiO2溶胶 加入到 浓缩并在220-250℃下水热12h 适量聚乙二醇(PEG) 粘质的液体 涂敷在 导电基底 多孔TiO2薄膜 450℃烧结 逐层沉积法也是目前广泛采用的技术之一，它最先由Tennakone提出。 该技术制备的多孔薄膜表面粗糙、起伏较大，孔隙和孔径均相对较大，非常有利于固态电解质的填充；缺点是操作复杂，TiO2损耗量过大，难以实现规模化制备。 异丙醇钛、醋酸和异丙醇溶液 一定量TiO2粉末 以一定比例加入到 充分研磨后刮涂到 加热的导电玻璃 半透明多孔膜 干燥后在450℃烧结10 min 反复涂膜多次 图2 a.手术刀涂膜技术制备的TiO2多孔膜；b.逐层沉积法制备的TiO2多孔膜 Fig.2 a.TiO2 porous film prepared by doctor-blade; b.TiO2 porous film prepared by layer by layer deposition 显然，这两种常用的TiO2多孔膜制备技术都存在着操作复杂的问题，而且受实验条件，例如pH值、前驱体的浓度、高压反应等一系列因素的限制。另外，操作技术掌握起来比较困难，是目前多孔膜制备技术的瓶颈问题。