染料敏化太陽(yáng)能電池

1、染料敏化太陽(yáng)能電池Dye sensitized solar cell主要類(lèi)容主要類(lèi)容DSSC的提出背景及發(fā)展歷程的提出背景及發(fā)展歷程DSSC轉(zhuǎn)化效率的主要參數(shù)轉(zhuǎn)化效率的主要參數(shù)DSSC的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較DSSC的制作原理及工藝流程的制作原理及工藝流程DSSC的技術(shù)現(xiàn)狀和效率分析的技術(shù)現(xiàn)狀和效率分析DSSC的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景1、DSSC的提出背景及發(fā)展歷程 提出背景提出背景1960 年代，年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及及R.Memming發(fā)現(xiàn)染料發(fā)現(xiàn)染料吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，成為光電化學(xué)電池的重

2、吸附在半導(dǎo)體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，成為光電化學(xué)電池的重要基礎(chǔ)。要基礎(chǔ)。20世紀(jì)世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的硅，砷化鎵窄禁帶半導(dǎo)體等高效光伏電池效率基年代發(fā)展起來(lái)的硅，砷化鎵窄禁帶半導(dǎo)體等高效光伏電池效率基本上大于本上大于18%，但窄禁帶半導(dǎo)體具有嚴(yán)重的光腐蝕現(xiàn)象，需要高純度的半，但窄禁帶半導(dǎo)體具有嚴(yán)重的光腐蝕現(xiàn)象，需要高純度的半導(dǎo)體晶體。成本昂貴，難以大面積推廣和多領(lǐng)域使用。導(dǎo)體晶體。成本昂貴，難以大面積推廣和多領(lǐng)域使用。TiO2等寬禁帶半導(dǎo)體具有較高的光、熱穩(wěn)定性，具有更強(qiáng)的使用范圍。同等寬禁帶半導(dǎo)體具有較高的光、熱穩(wěn)定性，具有更強(qiáng)的使用范圍。同時(shí)價(jià)格低廉，制作成本較低時(shí)價(jià)格低廉，制作成

3、本較低一次性能源枯竭，環(huán)境惡化。可再生能源成為現(xiàn)在的主流，一次性能源枯竭，環(huán)境惡化。可再生能源成為現(xiàn)在的主流，DSSC相對(duì)更相對(duì)更加清潔。加清潔。 1、DSSC的提出背景及發(fā)展歷程的提出背景及發(fā)展歷程 發(fā)展歷程發(fā)展歷程19701970年起年起，R.MemmingR.Memming，H.GerischerH.Gerischer，HauffeHauffe，H.TributshH.Tributsh等人大量研究等人大量研究了各種染料敏化劑與半導(dǎo)體納米晶間光敏化作用，研究主要集中在平板電了各種染料敏化劑與半導(dǎo)體納米晶間光敏化作用，研究主要集中在平板電極上，這類(lèi)電極只有表面吸附單層染料，光電轉(zhuǎn)換效率小于極

4、上，這類(lèi)電極只有表面吸附單層染料，光電轉(zhuǎn)換效率小于1%1%。19931993年年, Gratzel M., Gratzel M.等人再次研制出光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)等人再次研制出光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)10 %10 %的染料敏化太陽(yáng)的染料敏化太陽(yáng)能電池能電池, , 已接近傳統(tǒng)的硅光伏電池的水平。已接近傳統(tǒng)的硅光伏電池的水平。2002 2002 年年, STA, STA建立了迄今為止獨(dú)一無(wú)二的面積為建立了迄今為止獨(dú)一無(wú)二的面積為200m2 DSC 200m2 DSC 顯示屋頂顯示屋頂, ,使使用用 含有離子液態(tài)聚合物凝膠電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池，含有離子液態(tài)聚合物凝膠電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)染料敏化納米晶太陽(yáng)

5、能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5.3 % 5.3 % 。目前目前DSSCDSSC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10%10%以上，據(jù)推算壽命能達(dá)以上，據(jù)推算壽命能達(dá)15152020年，年，且其制造成本僅為硅太陽(yáng)能電池的且其制造成本僅為硅太陽(yáng)能電池的1/51/51/101/10。 2. DSSC的制作原理及工藝流程 DSSC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料光陽(yáng)極光陽(yáng)極對(duì)電極對(duì)電極電解質(zhì)電解質(zhì)染料染料 2. DSSC的制作原理及工藝流程 DSSC工作原理工作原理 導(dǎo)帶中的電子在納米晶網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)胶蠼佑|面(back contact ，BC)后而流入到外電路中：e-(CB)

6、e-(BC) 納米晶膜中傳輸?shù)碾娮优c進(jìn)入TiO2 膜的孔中的I3-離子復(fù)合：I3- + 2e-(CB) 3I-， I3-離子擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子使I-離子再生：I3- + 2e-(CE) 3I-， 染料(S)受光激發(fā)由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)（S*）：S + h S* 激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中：S* S+ + e-(CB) I-離子還原氧化態(tài)染料可以使染料再生：3I- + 2S+ I3- + 2S， 導(dǎo)帶中的電子與氧化態(tài)染料之間的復(fù)合：S+ + e-(CB) S， 2. DSSC的制作原理及工藝流程 DSSC工藝流程工藝流程1、電池導(dǎo)電基底的選取、電池導(dǎo)電基底的選取采用氧化銦錫（俗稱

7、ITO）導(dǎo)電玻璃，它是在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎(chǔ)上，利用磁控濺射的方法鍍上一層ITO膜加工制作成的2、光陽(yáng)極的制備、光陽(yáng)極的制備將制備好的TIO2納米管，采用勻膠機(jī)涂抹在導(dǎo)電玻璃的固定區(qū)域，然后在擴(kuò)散爐中用450 退火30min。退火后用染料敏化24小時(shí)后用N2吹干，避光儲(chǔ)存。 2. DSSC的制作原理及工藝流程 DSSC工藝流程工藝流程3，對(duì)電極的制備，對(duì)電極的制備將C納米管/Pt電鍍?cè)趯?dǎo)電玻璃上面，加快電子的運(yùn)動(dòng)，提高氧化還原的速率4，DSSC電解液制備電解液制備常用的電解質(zhì)包括液態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)、全固態(tài)等。采用電解質(zhì)將碘和碘化鈉溶于有機(jī)溶液中制備而成。 2. DSSC的制作原理及工藝流程

8、DSSC工藝流程工藝流程5，電池封裝，電池封裝采用熱膜封裝技術(shù)，將電池的四周用絕緣加熱封裝固定。封裝膜不宜太厚，保證電池內(nèi)部接觸良好6，DSSC電解液注入電解液注入 將前面配制好的電解液用直徑100m的針孔將電解液注入到封裝好的DSSC中，完成后即為成品 2. DSSC的制作原理及工藝流程 TiO2TiO2納米管制作納米管制作模板合成法 模板法是利用模板的形態(tài)結(jié)構(gòu)，通過(guò)沉積和分解作用來(lái)合成與模板具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的材料，是制備一維納米材料的常用方法；陽(yáng)極氧化法 ：將純鈦片置于電解溶液(如HF、NH4F(NH4)2SO4或Na2SO4NaF的混合液)中，經(jīng)陽(yáng)極腐蝕而獲得不同形貌、不同晶化度的TiO2納

9、米管。 2. DSSC的制作原理及工藝流程 TiO2TiO2納米管制作納米管制作水熱法制備二氧化鈦納米管：將TiO2納米粒子與強(qiáng)堿溶液放在一個(gè)密閉的反應(yīng)容器中,通過(guò)對(duì)反應(yīng)容器加熱,創(chuàng)造一個(gè)高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境制備TiO2納米管的方法2. DSSC的制作原理及工藝流程化學(xué)法（銀鏡鏡反應(yīng)）在堿性條件下與AgNO3的葡萄糖,得到表面載Ag的二氧化鈦納米管(Ag/TiO2)銀鏡反應(yīng)方程式銀鏡反應(yīng)方程式：CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO+2Ag(NH3)2OH CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-COONH4+2Ag+3NH3+H2O光化學(xué)沉積：在AgNO3溶液中

10、TiO2納米管在紫外光照射下，將Ag+離子還原為Ag單質(zhì)，并沉積在TiO2納米管表面Ag/TiO2 Ag/TiO2 納米管制備納米管制備 2. DSSC的制作原理及工藝流程 染料敏化液的制備技術(shù)染料敏化液的制備技術(shù)TiO2敏化劑可以采用天然染料，常用葉綠素酸酯和類(lèi)黃酮類(lèi)染料作為染料敏化劑。類(lèi)黃酮類(lèi)，如花青苷，大量地存在與陸地上植物的葉子、果實(shí)和花中，它們的作用是保護(hù)植物免受紫外線的侵害以及吸引昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)傳授花粉，特別是它們非常穩(wěn)定，可以用來(lái)作為納米晶體染料敏化光電池中的天然染料敏化劑。常采用天然葉綠素作敏化劑。也可以，以四苯基卟啉為原料，合成金屬卟啉為敏化劑，合成反應(yīng)式為: 3. DSSC轉(zhuǎn)化

11、效率的主要參數(shù) DSSCDSSC的伏安特性的伏安特性衡量光電化學(xué)太陽(yáng)能電池的性能主要有衡量光電化學(xué)太陽(yáng)能電池的性能主要有四四個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)：個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)：(1) 短路光電流短路光電流(ISC)：太陽(yáng)能電池在短路條件下的工作：太陽(yáng)能電池在短路條件下的工作電流。此時(shí)，電池輸出的電壓為零。電流。此時(shí)，電池輸出的電壓為零。(2) 開(kāi)路光電壓開(kāi)路光電壓(VOC)：太陽(yáng)能電池在開(kāi)路條件下的輸：太陽(yáng)能電池在開(kāi)路條件下的輸出電壓。此時(shí)，電池的輸出電流為零。出電壓。此時(shí)，電池的輸出電流為零。(3) 填充因子填充因子(FF)：填充因子定義為：填充因子定義為：FF= Pmax / Ioc *VOC。(4) 能量轉(zhuǎn)換效率能

12、量轉(zhuǎn)換效率()：定義為太陽(yáng)能電池的最大輸出功：定義為太陽(yáng)能電池的最大輸出功率與入射太陽(yáng)光的能量率與入射太陽(yáng)光的能量(Plight)之比。之比。=Pmax/Plight=FF Isc Voc/Plight 3. DSSC轉(zhuǎn)化效率的主要參數(shù) DSSCDSSC轉(zhuǎn)化效率的影響因子轉(zhuǎn)化效率的影響因子1、敏化液的選取敏化液在DSSC中有至關(guān)重要的作用，它可以提高TiO2的光譜，從原來(lái)的350nm直接拓寬到整個(gè)可見(jiàn)光光譜，極大的提升了DSSC對(duì)光的吸收效率2、催化效果在DSSC的工作過(guò)程中，電解液需要快速的氧化還原反應(yīng)才能提供足夠多的電子來(lái)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，一般利用Pt做催化劑 3. DSSC轉(zhuǎn)化效率的主要參數(shù)

13、 DSSCDSSC轉(zhuǎn)化效率的影響因子轉(zhuǎn)化效率的影響因子4、電解液制備5、暗電流影響電解質(zhì)的組成及溶劑配方對(duì)太陽(yáng)能電池的影響很大。電解質(zhì)中還原劑必須能迅速地還原染料正離子，而自身還原電位要低于電池電位。電解質(zhì)可分為液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)。3、封裝技術(shù)DSSC的封裝有很?chē)?yán)格的要求，既要保證電解液不能泄漏，同時(shí)也要保證電池的組成部分接觸良好，封裝用的塑料薄膜不能夠太厚。電池片在反偏壓條件下,沒(méi)有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流暗電流反向飽和電流漏電流 4. DSSC的技術(shù)現(xiàn)狀和效率分析 行業(yè)領(lǐng)軍人物行業(yè)領(lǐng)軍人物 戴松元 博士，研究員，博導(dǎo)。國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）首席科學(xué)家（2006年201

14、1年，中國(guó)科學(xué)院新型薄膜太陽(yáng)電池重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 主任，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所太陽(yáng)能材料與工程研究室主任。1994年開(kāi)始主要從事染料敏化太陽(yáng)電池研發(fā)工作。近5年來(lái)已在國(guó)內(nèi)外會(huì)議、期刊上發(fā)表論文150余篇，已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利19項(xiàng)，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)3項(xiàng)。先后完成中科院院長(zhǎng)特別基金、世界實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、973項(xiàng)目、中科院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目和安徽省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目12項(xiàng)等。目前本人和團(tuán)隊(duì)作為首席承擔(dān)單位正在承擔(dān)973項(xiàng)目一項(xiàng)，協(xié)助承擔(dān)863重點(diǎn)課題一項(xiàng)、科學(xué)院和安徽省等項(xiàng)目15項(xiàng)。 5. DSSC的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(1) 壽命長(zhǎng)：使用壽命可達(dá)15-20年；(2)

15、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；(3) 制備電池耗能較少，能源回收周期短；(4) 生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽(yáng)能電池的1/51/10，預(yù)計(jì)每蜂瓦的電池的成本在10元以內(nèi)。(5) 高清潔，生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)毒無(wú)污染；(6)質(zhì)量輕，便于攜帶。(7)透光率高光電轉(zhuǎn)換效率比較低；目前所用的電解質(zhì)缺陷比較多:良好電解質(zhì)的制備有待提升，研究一種準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，既可以克服液態(tài)電解質(zhì)DSSC漏液，不易密封等缺陷，又解決了全固態(tài)電解質(zhì)DSSC與光陽(yáng)極的接觸問(wèn)題及傳輸效率低下等問(wèn)題。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 5. DSSC的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較的優(yōu)缺點(diǎn)和硅電池比較 硅系太陽(yáng)能電池染料敏化太陽(yáng)能電池 工作原理光生電子和

16、空穴的產(chǎn)生、傳輸都在硅片中進(jìn)行光生電子和空穴由染料產(chǎn)生，分別經(jīng)二氧化鈦電極和電解質(zhì)傳遞半導(dǎo)體純度要求很高，硅純度至少要達(dá)到99.999%以上純度要求較低成本成本高高低，是多晶硅太陽(yáng)能電池的低，是多晶硅太陽(yáng)能電池的1/5左右左右可制備性制備條件要求高容易制備光照角度角度增大，效率降低基本上角度增大，效率升高；在0-75的角度范圍內(nèi)隨光照角度增大，效率增大吸收弱光的能力弱強(qiáng)對(duì)溫度的敏感性多晶硅：敏感；薄膜硅：不敏感不敏感顏色單一豐富透明性不透明透明柔性化、輕質(zhì)化可以容易理論光電轉(zhuǎn)換效率28%33%應(yīng)用范圍廣泛非常廣泛 6. DSSC的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景 發(fā)展前景發(fā)展前景 染料敏化太陽(yáng)能電池具有生產(chǎn)成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、可大批量生產(chǎn)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，加之中國(guó)土地面積廣，尤其西北地區(qū)光照強(qiáng)烈，決定