染料敏化太阳能电池.ppt

表面敏化太阳能电池 一. 研究进展 太阳能电池是根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件，是一个新的科学领域。 目前，硅太阳能电池较为成熟，如，单晶、多晶和非晶硅太阳能电池。制作工艺复杂，成本高。改进工艺、寻找新材料、电池薄膜化。 近20年，探索高比表面积的纳米薄膜电极的制备方法，这种纳米微粒形成的薄膜经光敏材料或者窄带隙纳米微粒修饰可以提高膜的光电转换特性，所以纳米薄膜电极是提高太阳能电池转换效率的有效途径之一。 20世纪60年代，徳国Tributsch发现染料吸附在半导体表面，在一定条件下产生电流，成为光电化学电池的重要基础。 1971年Honda和Fujishima用TiO2电极光助电解水，获得了氢气，开始了具有实际意义上的光电化学电池的研究。 1991年，瑞士M.Gratzel教授以纳米多孔TiO2膜为半导体电极，以过渡金属Ru的有机化合物作染料，制备出纳米薄膜太阳能电池，在太阳光下光电转换效率达7.1%。 Gratzel研究突破的关键： 多孔纳米TiO2薄膜具有高比表面积，不但能吸附更多的单层染料分子，而且太阳光在粗糙表面内多次反射，可被染料分子反复吸收，极大地提高了太阳光的利用率。 二.研究意义 1. 1972年Fujishima 光解水实验，奠定了光电化学的基础；80年代初热点；90年代纳米技术，新的发展机遇。 2. 目前状况： 稳定性差；寿命短；材料失活；光电转换效率低； 3. 提高效率的两个途径 合成新型光电功能材料； 构建新型结构光电器件；新的分析测试技术；光电界面过程理论研究； 4. 新材料 — 纳米粒子薄膜，多元组分复合，纳米粒子掺杂，表面修饰纳米薄膜等材料； 新技术 — 表面光电压谱，光谱电化学分析仪，XPS，AFM，IR等 1. 纳米微粒溶胶直接涂在基底上，经烧结形成纳米薄膜电极。 2. 电化学、化学沉积方法直接制备到基体上。 纳米薄膜电极材料：TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2等。 3. 敏化剂特点：吸收尽可能多的太阳能；紧密吸附在纳米薄膜表面；与相应的纳米能带匹配；激发态寿命长、稳定性好。 三.纳米薄膜电极的制备方法 存在问题： 1991年Gratzel首先使用联吡啶钌―TiO2体系使光电转换效率达约10%，光电流密度达到12mA/cm2。敏化剂的敏化效果很理想，但近红外区吸收很弱，吸收光谱与太阳光谱不匹配。 研究目标：寻求新的染料敏化体系，尽可能地利用太阳光能。 四.光电转换机理1.纳米薄膜半导体材料/溶液界面结构 图1半导体/溶液界面双电层模型 (a) 体相半导体/溶液， (b) 纳米薄膜/ 溶液 2.本体半导体/溶液界面和纳米薄膜/溶液 界面能带结构 3. 敏化的纳米薄膜半导体电极--PEC结构 图3.Gratzel型PEC的结构示意图 Gratzel型PEC的结构组成： 镀有透明导电膜的导电玻璃、多孔TiO2纳米薄膜电极、染料光敏化剂、电解质。 ITO玻璃上镀有Pt层，多孔纳米TiO2电极具有高的比表面积。敏化剂为（2，2’-联吡啶-4，4’-二羧基）钌。电解质（I-、I3-）化合物组成，其作用是还原被氧化了的染料分子，并起电子运输的作用。光阴极镀Pt。 4. PEC工作原理 图4. Gratzel型PEC能带结构示意图 Gratzel型PEC工作原理： 电极TiO2微粒（Eg=3.2eV），可见光不能激发，受激发的是TiO2表面吸附的一层染料敏化剂。 在可见光作用下，染料分子吸收光能跃迁到激发态。由于激发态能级在TiO2导带之上，光生电子跃迁到TiO2导带，进入TiO2导带中的电子进入导电玻璃，然后通过外电路产生光电流。 染料和半导体之间的光致电荷转移两种不同的机制 一.直接注入机制 二.间接注入机制或称能量转移机制 二者区别： 直接注入机制是染料分子将电子从激发态能级注入到半导体导带。 间接注入机制是激发态染料分子首先将能量转移给半导体表面态并使其激发，从而实现电子向半导体能带的注入。 要求： 无论哪一种机制，要求染料分子具有较高可见光响应；能级结构与半导体能带位置较好地匹配。 如图4，敏化剂基态、激发态的位置及电解质中氧化还原电对的电位合理配置，器件才能正常运行。 循环过程：被氧化了的染料分子被还原回到基态。氧化态染料分子在阴极被I-还原，同时电解质中I3-被从阴极进入的电子还原成I-完成一个循环。整个光电化学反应过程下列式子表示： 染料激发，产生光电流： 染料还原： 电解质还原： 暗电流： 光生电子过程 Rup2P表面敏化TiO2基复合薄膜光致电荷转移的研究 薄膜电极结构 染料： (1,10-邻菲咯啉)2 2-(2-吡啶基)苯咪唑钌混配配合物 制备：离子束溅射和旋转涂膜