染料敏化太陽(yáng)能電池DSSC

1、1染料敏化太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)能電池 2 據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，瑞士材料科技聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，瑞士材料科技聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室（Empa）一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出一種新的薄膜太陽(yáng)能電池，）一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出一種新的薄膜太陽(yáng)能電池，以以CIGS（銅銦鎵硒）為光電轉(zhuǎn)換材料，用柔軟靈活的高分（銅銦鎵硒）為光電轉(zhuǎn)換材料，用柔軟靈活的高分子聚合物作襯底，其光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到子聚合物作襯底，其光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到20.4%。而此前的世界。而此前的世界紀(jì)錄是該研究小組在紀(jì)錄是該研究小組在2011年年5月實(shí)現(xiàn)的月實(shí)現(xiàn)的18.7%。 Solar3D Solar3D公司開(kāi)發(fā)了三維太陽(yáng)能電池技術(shù)。公司開(kāi)發(fā)了三維太陽(yáng)能電池技術(shù)

2、。20112011年，該公年，該公司宣布，其最新設(shè)計(jì)的三維硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化率超過(guò)司宣布，其最新設(shè)計(jì)的三維硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化率超過(guò)25%25%。 2013年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (Michael Gratzel)的研的研究小組、英國(guó)牛津大學(xué)和日本桐蔭橫濱大學(xué)的研究小組，分究小組、英國(guó)牛津大學(xué)和日本桐蔭橫濱大學(xué)的研究小組，分別獨(dú)立開(kāi)發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率超過(guò)別獨(dú)立開(kāi)發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率超過(guò)15的固體型染料敏化太陽(yáng)能的固體型染料敏化太陽(yáng)能電池。電池。 2013年年1月威鋒網(wǎng)報(bào)道：英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和麥克月威鋒網(wǎng)報(bào)道：英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和麥克林公司向人們展示了他們合作研究的項(xiàng)目，項(xiàng)目顯示

3、他們?cè)O(shè)林公司向人們展示了他們合作研究的項(xiàng)目，項(xiàng)目顯示他們?cè)O(shè)計(jì)的光面板可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率突破計(jì)的光面板可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率突破 50% 。新技術(shù)基于多。新技術(shù)基于多接面面板技術(shù)，采用了一種被稱(chēng)為接面面板技術(shù)，采用了一種被稱(chēng)為“ InAlAsSb 四元合金四元合金”作為吸收高頻率光波的材質(zhì)。作為吸收高頻率光波的材質(zhì)。 3染料敏化太陽(yáng)能電池（染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSCDSSC）DSSCDSSC的技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)DSSCDSSC發(fā)展簡(jiǎn)介發(fā)展簡(jiǎn)介3 1提高提高DSSCDSSC光電效率的研究光電效率的研究3 33 4DSSCDSSC的組成及工作原理的組成及工作原理3 14DSSC發(fā)展簡(jiǎn)介發(fā)展簡(jiǎn)介 目前目

4、前，DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在13以上，壽命以上，壽命能達(dá)能達(dá)1520年，且其制造成本僅為硅太陽(yáng)能電池的年，且其制造成本僅為硅太陽(yáng)能電池的1/51/10。低成本是低成本是DSSC的突出優(yōu)勢(shì)。的突出優(yōu)勢(shì)。 1991年年，Grtzel M.于于Nature上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽(yáng)上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽(yáng)能電池（能電池（ Dye-Sensitized Solar Cells，簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)DSSC ）的文章，以較低的成本得）的文章，以較低的成本得到了到了7%的光電轉(zhuǎn)化效率，的光電轉(zhuǎn)化效率， 為利用太為利用太陽(yáng)能提供了一條新的途徑。陽(yáng)能提供了一條新的途徑。 19

5、97年年，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了了10%11%，短路電流達(dá)到，短路電流達(dá)到18 mA/cm2,開(kāi)開(kāi)路電壓達(dá)到路電壓達(dá)到720 mV； 1998年年，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料替代液體電解質(zhì)的全，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料替代液體電解質(zhì)的全固態(tài)固態(tài) Grtzel 電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到33%，從而引起了全世界的關(guān)注。從而引起了全世界的關(guān)注。5其他優(yōu)勢(shì)其他優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；制備電池耗能較少，能源回收周期短；制備電池耗能較少，能源回收周期短；制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣

6、；制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣；在各種光照條件下使用；在各種光照條件下使用；光的利用效率高；光的利用效率高；對(duì)光陰影不敏感對(duì)光陰影不敏感6DSSC的組成的組成 陽(yáng)極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜染料敏化半導(dǎo)體薄膜陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃鍍鉑的導(dǎo)電玻璃 電解質(zhì)：I3-/I- TiO2膜膜:520um導(dǎo)電玻璃7葉綠體的結(jié)構(gòu)葉綠體的結(jié)構(gòu)納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于葉綠體的內(nèi)囊體，起當(dāng)于葉綠體的內(nèi)囊體，起著支撐敏化劑染料分子、著支撐敏化劑染料分子、增加吸收太陽(yáng)光的面積和增加吸收太陽(yáng)光的面積和傳遞電子的作用。傳遞電子的作用。敏化劑染料分子相當(dāng)于葉敏化劑染料分子相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素，起著吸綠體中的葉

7、綠素，起著吸收太陽(yáng)光光子的作用。收太陽(yáng)光光子的作用。DSSC和植物的光合作用和植物的光合作用8DSSC的工作原理的工作原理光電陽(yáng)極光電陽(yáng)極: Dye + hDye* (染料激發(fā)染料激發(fā)) Dye*Dye+-(TiO2)(產(chǎn)生光電流產(chǎn)生光電流) Dye+1.5Dye+0.5I3-(染料還原染料還原)陽(yáng)極發(fā)生的凈反應(yīng)為陽(yáng)極發(fā)生的凈反應(yīng)為: 1.5I+0.5I3-+-(TiO2)對(duì)電極對(duì)電極: 0.5I3-+-(Pt)1.5I(電解質(zhì)還原電解質(zhì)還原)整個(gè)電池的反應(yīng)結(jié)果為整個(gè)電池的反應(yīng)結(jié)果為: -(Pt)+-(TiO2)(光電流光電流)9太陽(yáng)電池受載特性曲線太陽(yáng)電池受載特性曲線（1）短路電流）短路電流

8、（Isc )：當(dāng)太陽(yáng)電池的：當(dāng)太陽(yáng)電池的 輸出端短路時(shí)（輸出端短路時(shí)（V=0)。與入射光強(qiáng)。與入射光強(qiáng) 度成正比。度成正比。（2）開(kāi)路電壓）開(kāi)路電壓（Voc ) ：當(dāng)太陽(yáng)電池的：當(dāng)太陽(yáng)電池的 輸出端開(kāi)路時(shí)（輸出端開(kāi)路時(shí)（I=0).（3）填充因子：接上負(fù)載）填充因子：接上負(fù)載R時(shí)，所得的時(shí)，所得的 負(fù)載負(fù)載I-V曲線如圖。當(dāng)負(fù)載曲線如圖。當(dāng)負(fù)載Rm使功率輸出為最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大功率使功率輸出為最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大功率 Im、Vm：最佳工作電流和最佳工作電壓。填充因子：最佳工作電流和最佳工作電壓。填充因子 FF愈大則輸出功率愈高；愈大則輸出功率愈高；FF取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度、串取決于入射光

9、強(qiáng)、材料的禁帶寬度、串聯(lián)和并聯(lián)電阻等聯(lián)和并聯(lián)電阻等DSSC的評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)的評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)mmmVIP SCOCmmSCocmIVIVIVPFF10（4）太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率（）太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率（ ）：最大輸出功率與照射到）：最大輸出功率與照射到 太陽(yáng)電池的總輻射能（太陽(yáng)電池的總輻射能（Pin）之比。）之比。首要的關(guān)鍵指標(biāo)：決定著電池的成本、質(zhì)量、材料首要的關(guān)鍵指標(biāo)：決定著電池的成本、質(zhì)量、材料 消耗、輔助設(shè)施等許多因素消耗、輔助設(shè)施等許多因素inSCOCinmPFFIVPP11重點(diǎn)研究的三大方面提高提高DSSCDSSC光電效率的研究光電效率的研究121 電解質(zhì)體系電解質(zhì)體系 作用：作用： （1）復(fù)原

10、染料，傳輸電荷）復(fù)原染料，傳輸電荷 （2）引起半導(dǎo)體、染料和氧化還原對(duì)能級(jí)的改變，）引起半導(dǎo)體、染料和氧化還原對(duì)能級(jí)的改變， 導(dǎo)致體系動(dòng)力學(xué)特性變化，從而對(duì)光電壓和導(dǎo)致體系動(dòng)力學(xué)特性變化，從而對(duì)光電壓和 轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生很大影響。轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生很大影響。 13DSSC的電解質(zhì)按物理狀態(tài)分為液態(tài)電解質(zhì)、的電解質(zhì)按物理狀態(tài)分為液態(tài)電解質(zhì)、 準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì) 。 關(guān)鍵：氧化還原電對(duì)關(guān)鍵：氧化還原電對(duì) （1）快速與陰極電子反應(yīng)，減少電子在陰極的積累；）快速與陰極電子反應(yīng)，減少電子在陰極的積累； （2）對(duì)陽(yáng)極光電子反應(yīng)活性低，減少暗反應(yīng)；）對(duì)陽(yáng)極光電子反應(yīng)活性低，減少暗反應(yīng)；

11、（3）氧化還原電勢(shì)與染料能級(jí)匹配，能迅速還原氧）氧化還原電勢(shì)與染料能級(jí)匹配，能迅速還原氧 化態(tài)染料，減少注入電子與之的反向復(fù)合化態(tài)染料，減少注入電子與之的反向復(fù)合 142 氧化物半導(dǎo)體薄膜氧化物半導(dǎo)體薄膜（1）TiO2納米晶（納米晶（用的最多、效率最高用的最多、效率最高） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：含量豐富、價(jià)格便宜、無(wú)毒、穩(wěn)定、抗腐蝕性好含量豐富、價(jià)格便宜、無(wú)毒、穩(wěn)定、抗腐蝕性好 一般采用銳鈦型一般采用銳鈦型TiO2。 易實(shí)現(xiàn)對(duì)易實(shí)現(xiàn)對(duì)TiO2晶型和粒徑的有效控制晶型和粒徑的有效控制多孔薄膜制備法：多孔薄膜制備法：浸漬法、旋轉(zhuǎn)法、絲網(wǎng)印刷法、濺射法、浸漬法、旋轉(zhuǎn)法、絲網(wǎng)印刷法、濺射法、 高溫溶膠噴射沉積等

12、高溫溶膠噴射沉積等粉體制備方法：粉體制備方法：溶膠溶膠-凝膠法凝膠法、TiCl4水解法、電化學(xué)法等水解法、電化學(xué)法等 15效率的影響因素很多：效率的影響因素很多：形貌、表面改性、離子摻雜等：形貌、表面改性、離子摻雜等：主要是影響染料吸附量、能帶匹配度、主要是影響染料吸附量、能帶匹配度、電子傳輸速度等電子傳輸速度等16M.Grtzel, Naure 2001, 414, 338-344.grain size in the range of 1080 nm. 形貌的影響形貌的影響%4 .10,75. 065. 08 . 07 . 0,/22162FFVVcmmAIOCSC17ZnO一維結(jié)構(gòu)一維結(jié)構(gòu)

13、(ad) silicon substrate(eh) substrateD.-I. Suh et al. Chemical Physics Letters 442 (2007) 348353 18 吸收盡可能多的太陽(yáng)光； 緊密吸附在納米晶網(wǎng)絡(luò)電極表面； 與相應(yīng)的納米晶的能帶相匹配； 激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)，具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性 3.敏化劑敏化劑19性能優(yōu)的敏化劑：釕的多吡啶配合物性能優(yōu)的敏化劑：釕的多吡啶配合物（* * 較強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收、良好的光電化學(xué)性能、激發(fā)態(tài)穩(wěn)定）較強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收、良好的光電化學(xué)性能、激發(fā)態(tài)穩(wěn)定）20吡咯并吡咯二酮顏料吡咯并吡咯二酮顏料21最新進(jìn)展最新進(jìn)展 鈣鈦礦基的有機(jī)無(wú)機(jī)混合結(jié)

14、晶材料鈣鈦礦基的有機(jī)無(wú)機(jī)混合結(jié)晶材料CHCH3 3NHNH3 3PbIPbI3 3作為敏化材料作為敏化材料首次實(shí)現(xiàn)了可與結(jié)晶硅型太陽(yáng)能電池相匹敵的轉(zhuǎn)換效率首次實(shí)現(xiàn)了可與結(jié)晶硅型太陽(yáng)能電池相匹敵的轉(zhuǎn)換效率2215.36%15.36%23 這種結(jié)構(gòu)的DSSC的前身是日本桐蔭橫濱大學(xué)教授宮坂力的研究小組于2009年4月提出的太陽(yáng)能電池。當(dāng)時(shí)，很多人嘗試采用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體微粒量子點(diǎn)作為敏化材料，制造“量子點(diǎn)增感型太陽(yáng)能電池”。宮坂指出“量子點(diǎn)效率低，并且存在電流反向流動(dòng)等許多課題”。因此，將目光轉(zhuǎn)向了CH3NH3PbI3。CH3NH3PbI3不僅能高效吸收從可見(jiàn)光到波長(zhǎng)800nm的廣譜光，還具有能在TiO2等多孔質(zhì)材料上直接化學(xué)合成的特點(diǎn)。非常適合涂布工藝。 不過(guò)，宮坂等人在2009年試制時(shí)，采用了傳統(tǒng)的DSSC電解液，轉(zhuǎn)換效率只有3.8。 24 2012年牛津大學(xué)研究人員，用年牛津大學(xué)研