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复旦大学博士学位论文 第一章 染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状1?2法国科学家 Henri Becquerel于1839年首次观察到光电转化现象3,但是直到1954年第一个 可实用性的半导体太阳能屯池的问世，“将太阳能转化成电能”的想法才真正成为 现实4。在太阳能电池的最初发展阶段，所使用的材料-?般是在可见区有一定吸 收的窄带隙半导体材料，因此这种太阳能电池乂称为半导体太阳能电池。尽管宽 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，也可以将太阳能转化为电能，这种电池就是 染料敬化太阳能电池。1991年，瑞士科学家Gratzel等人首次利用纳米技术将染 料敏化太阳能电池屮的转化效率提高到7%5。从此，染料敏化纳米晶太阳能电池 (B|J Gratzel电池)随之诞牛并得以快速发展。 1.1基本概念 1.1.1大气质量数6 对一个具体地理位置而言，太阳对地球表面的辐射取决于地球绕太阳的公转与 自转、大气层的吸收与反射以及气象条件(阴、晴、雨)等。距离太阳一个天文 单位处，垂直辐射到单位面积上的辐照通量(未进入大气层前)为一常数，称之 为太阳常数。其值为1.338?1.418 kW m-2,在太阳电池的计算中通常取1.353 kWm-2o 太阳光穿过大气层到达地球表面，受到大气屮各种成分的吸收，经过大气与云 层的反射，最后以直射光和漫射光到达地球表面，平均能量约为lkWm?2° —旦 光子进入大气层，它们就会由于水、二氧化碳、臭氧和其他物质的吸收和散射， 使连续的光谱变成谱带。因此太阳光光谱在不同波长处存在许多尖峰，特别是在 红外区域内。现在通过太阳模拟器，在室内就能够得到模拟太阳光进行试验。在 太阳辐射的光谱中,99%的能量集中在276?4960nm之间。由于太阳入射角不 同，穿过大气层的厚度随Z变化，通常用大气质量(airmass, AM)来表示。并 规定，太阳光在大气层外垂直辐照时，大气质量为AMO,太阳入射光与地面的 夹角为90°吋大气质量为AMU其他入射角的大气质量可以用入射光与地面的 夹角e的关系表达，即AM = 1/cose当太阳的天顶角e为419吋为AM1.5。 海平面上任意一点和太阳的连线与海平面的夹角叫天顶角。-般在地面应用的情 况下，如无特殊说明，通常是指AM1.5的情况。 1」.2光电转化效率 光电转化效率，即入射单色光了 ■电子转化效率(monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency,用缩写 IPCE 表示)，定义为单位时间内 1 第一章染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状 外电路中产牛的电子数Ne与单位吋间 (1.2) 其中Isc、 和Pin所使用的单位分别为pA cm-2、nm和W m-2o 从电流产牛的过程考虑，IPCE与光捕获效率(light harvesting efficiency) LHE ()、电子注入量子效率inj及注入电子在纳米晶膜与导电玻璃的后接触面 (back contact)上的收集效率c三部分相关。见公式(1.3)： IPCE ( ) = LHE ( ) inj c= LHE () () (13)其中inj c可以看作量子效率.()。由于.LHE( ) 1,所以对于 同一体系， IPCE ( ) .( )o两者相比，IPCE ()能更好地表示电池对太阳光的利用 程度，因 为.()只考虑了被吸收光的光电转化，而IPCE ()既考虑了被吸收光的光电 转化 又考虑了光的吸收程度。譬如，若某电极的光捕获效率为1%,而实验测得量 子效率.()为90%,但其IPCE()只有0.9%。作为太阳能电池，必须考虑 所有 入射光的利用，所以用IPCE ()表示其光电转化效率更合理；作为LB膜或 自组 装膜敏化平板电极的研究主要用来筛选染料血不太注重光捕获效率，所以常用 .()表示光电转化效果。在染料敏化太阳能电池I1, IPCE()与入射光波长之 间 的关系曲线为光电流工作谱。 1.1.3 I — V 曲线 光电流工作谱反映了染料敏化半导体电极在不同波长处的光电转化情况，它反 映了电极的光电转化能力。而判断染料敏化太阳能电池是否有应用前景的最直接 方法是测定电池的输出光电流和光电压曲线即I-V曲线。典型的I-V曲线示于 图1.1屮。下面介绍有关太阳能电池的性能参数。短路光电流(Current of Short Circuit, Isc)：电路处于短路(即电阻为零)吋的光电流称为短路光电流；开路光 电压(Voltage of Open Circuit, Voc)：电路处于开路(电阻为无穷大)时的光电压称 开路光电压；填充因子(Fill Facto