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化学物理选论 太阳能电池 2.光伏电池及其特性 3. 纳米晶半导体电极 4. 敏化剂和电解质 Your Topic Goes Here Your subtopic goes here Elements 2.1.2 光伏电池的工作原理 当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽度Eg的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子-空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光伏电池能量自动损耗部分。一般希望有更多的光激发载流子中的少数载流子能运动到P-N结区，通过P-N结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P-N结势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通外电路，即有电能输出。 P-N结 1 2 3 3 4 5 6 N P 上电极 下电极 光伏电池受光照情况 光伏电池产生电流示意图 2.1.3 光在纯净半导体中的吸收 照射到光伏电池表面的太阳辐射光含有各种不同的波长，各波长的能量和在光伏电池中的穿透深度也随之不同。光伏电池对光能的吸收，随着不同的光波波长而不同。它对短波的吸收系数较大，对长波的吸收系数则小。 对于射入电池材料内部的太阳光来说，只有 光子能量大于禁带宽度的光线，才能激发出电子－空穴对，而光子能量小的光线，不能激发出电子－空穴对，只能使光伏电池自身加热。 3.1 纳米晶半导体电极的特点： 大的比表面积和粗糙因子。 纳米颗粒之间的相互连接，构成海绵状电极结构，有很好的电接触。 氧化还原电对可以渗透整个纳米晶半导体电极，使被氧化的染料分子能够有效的再生。 纳米晶半导体和其吸附的染料分子之间的界面电子转移使快速有效的。 对于本征半导体来说，在正偏压的作用下，不能形成耗散层。 3.2 纳米晶半导体电极的制备 刮涂法、冷压法、电泳法、水热法、电化学沉积法等。 纳米晶半导体电极的光致电荷分离 染料敏化纳米晶光电太阳能电池的结构和工作原理 染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell, DSSC） 光电转换在界面: 染料和TiO2纳米晶多孔膜界面;染料分子和电解质构成的界面;电解质和对电极构成的界面. 光电转换机理 染料敏化太阳能电池的工作原理 ①D+hv D* ② D* D++e-(CB) ③2D++3I- D+I3- ④D++e-(CB) D ⑤e-(CB) e-(BC) ⑥I3-+2e-(CB) 3I- ⑦I3-+2e-(CE) 3I- 染料敏化电池需要满足的条件: 染料分子能够牢固地连接到氧化物半导体表面，需要染料分子带有特定的官能团。 染料分子激发态电位要比半导体的导电电位偏负至少0.1V，为光生电子向半导体的注入提供驱动力。 电解质中氧化还原电对的电极电位要比染料分子基态的电位偏负，可以保证染料分子的循环利用。 Why 使用TiO2 纳米晶电极？？ 染料敏化纳米晶半导体电极既可以保证高的光电转化量子效率又可以保证高的光捕获效率，从这个角度看，二氧化钛纳米晶电极的应用使得染料敏化太阳能电池的研究进入了一个全新的时代，大大推动了光电转化研究的发展。 二氧化钛是一种资源丰富、安全无毒、化学性质稳定的半导体材料。其晶型有金红石、锐钛矿、板钛矿三种。金红石的禁带较窄(3.0 eV)，光腐蚀性较强，而锐钛矿的禁带较宽(3.2 eV)，所以它的稳定性较好，适合于做染料敏化太阳能电池中的半导体材料。 二氧化钛纳米晶电极的微结构对光电转化性质的影响 （1）对于具有相同表面积的电极，孔径大小显著影响光电转化性质，特别是在高光强下。 （2）太阳能电池所产生的电流与二氧化钛电极所吸附的染料分子数直接相关 。 （3） 孔隙度对光电转化性质的影响很大。 敏化剂：是染料敏化太阳能电池的一个重要组成部分。它的作用就是吸收太阳光，基态电子受激发到激发态，然后再转移到半导体的导带上。 敏化剂必须具备的条件： 在TiO2 纳米晶电极表面具有良好的吸附性，即能够快速达到吸附平衡，且不易脱附； （2）在可见光区域要有较强较宽的吸收带； (3) 其氧化态和激发态要有较高的稳定性； (4) 激发态寿命足够长，且有很高的电荷传输效率； （5）具有足够负的激发态氧化还原电势以保证染料激发态电子注入TiO2 导； （6）在氧化还原过程中，要有相对低的势垒以便在初级和次级电子转移中的自由能损耗最小。 敏化剂在纳米晶上的自组装方式 敏化剂染料分子的化学键合模式。 多吡啶钌络合物敏化剂