染料敏化太陽能電池原理

1、染料敏化納米晶TiO2太陽能電池的電池結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理DSSC由鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電基片、多孔納米晶半導(dǎo)體薄膜、染料光敏化劑電解質(zhì)溶液及透明對電極 等幾部分構(gòu)成（圖1-1），其工作原理如圖1-2所示， 其中，Ecb為半導(dǎo)體的導(dǎo)帶邊，Evb半導(dǎo)體的價帶邊，S*、S0和S 分別為染料的激Fig. 1-1 Structure representation of nanocrystalline TiOdye-sensitized solar cell發(fā)態(tài)、基態(tài)和氧化態(tài)；Red和Ox為電解質(zhì)中的氧化還原電對?；w膜電極料電解質(zhì)對電極1#Wodang veGlassConductingIrsparcnfla

2、yerTtrania TiQ)ironol 町erBectroiy1«CauiysfConducting tmsparal layerD、D*分別是染料的基態(tài)和激發(fā)態(tài)，1713-為氧化還原電解質(zhì)。Cowiier elKtrodir +w圖1-1染料敏化納米晶TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖#D、D*分別是染料的基態(tài)和激發(fā)態(tài)，1713為氧化還原電解質(zhì)Fig. 1-2 Work ing prin ciple of nano crystall ine TiO2 dye-se nsitized solar cell 圖1-2染料敏化納米晶TiO2太陽能電池的工作原理32#1）當(dāng)能量低于半導(dǎo)體的

3、禁帶寬度且大于染料分子特征吸收波長的入射光（h.）照射到電極上時，吸附在電極表面的基態(tài)染料分子（D ）中的電子受激躍 遷至激發(fā)態(tài)。D + 2 - D* （染料激發(fā)）（1-1）2 ）激發(fā)態(tài)染料分子（D*）將電子注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中，此時染料分子自身轉(zhuǎn) 變氧化態(tài)。D* - D+ + e- - Ecb（1-2）3）處于氧化態(tài)的染料分子（D+）則通過電解質(zhì)（I7I3-）溶液中的電子給體 （I-）,自身恢復(fù)為還原態(tài)，使染料分子得到再生。3I- + 2D+ 2D + I3-（染料還原）（1-3）4）注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子與氧化態(tài)的染料發(fā)生復(fù)合反應(yīng):(1-4)D+ + e- - D (電子復(fù)合)5）注入半導(dǎo)

4、體導(dǎo)帶的電子被收集到導(dǎo)電基片，并通過外電路流向?qū)﹄姌O， 形成電流。6）注入到半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子與電解液中的 I3-發(fā)生復(fù)合反應(yīng)：I3- + 2e - 3I-（暗電流）（1-5）7） 電解質(zhì)溶液中的電子供體 提供電子后成為I3-，擴(kuò)散到對電極，在電極 表面得到電子被還原：I3- + 26 3I-（電解質(zhì)被還原）（1-6）其中，反應(yīng)（ 1-4）的反應(yīng)速率越小，電子復(fù)合的機(jī)會越小，電子注入的效率就越高；反應(yīng)（ 1-6）是造成電流損失的主要原因。因此，抑制第（1-6）步導(dǎo)帶電子與I3-離子的復(fù)合和第（1-4）步導(dǎo)帶電子與氧化態(tài)染料的復(fù)合是研究電解質(zhì)溶液的核心內(nèi)容之一。1-7 )在整個光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)過

5、程中， 各反應(yīng)物種總狀態(tài)不變， 光能轉(zhuǎn)化為電能 電池的開路電壓（Voc）取決于半導(dǎo)體的費(fèi)米能級和電解質(zhì)中氧化還原可逆電對 的能斯特電勢之差，用公式可表示為：Voc = 1/q （Ef- E0）式中，q為完成一個氧化還原過程所需要的電子總數(shù)。DSSCs consist of a nanocrystalline porous TiO2 film covered by a monolayer of dye molecules, a redox-active liquid electrolyte (iodide/tri-iodide based), and a Pt counter electrode

6、. Among the above three parts, the preparation of porous TiO2 film is a key factor in the optimization of DSSCs for its enormous influence on the anchor of dye molecules and transfer and separation of charge carriers. In the operation of DSSCs, sunlight is first absorbed by the molecules anchored to

7、 the TiO2 surface and excites electrons from highest occupied molecular orbitals (HOMO) to lowest unoccupied molecular orbitals (LUMO) of the dye, and the excited-state electrons are quickly injected into the conduction band of TiO2 . These electrons diffuse through the TiO2 particle network to the

8、collecting transparent conducting oxide (TCO) substrate. The oxidized dye molecules are regenerated by the reducing species in the electrolyte solution, predominately I -ions, and then the resulting tri-iodide ions can accept electrons from the platinized TCO counter electrode to fulll a complete cu

9、rrent cycle in DSSCs. The rapid electron transport and transfer in the porous TiO2 films are pivotal in reducing photo-generated electron-hole recombination and in improving the photoelectric conversion efficiencies of the DSSCs. Fabrication of porous films using one-dimensional(1D) has proven to be a good way to improve electron nano-structures transport. In addition to the effect on electron transport, 1D nano-structure also enhancesthe light harvesting by scattering of nanoparicles with light. However, in most conventional DSSCs,TiO2 sizes of 10-20 nm