染料敏化TiO2納米晶太陽(yáng)能電池的計(jì)算機(jī)模擬

1、在光電化學(xué)電池研究中，大多數(shù)染料敏化電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低（<1%），直到90年代初的幾項(xiàng)突破才使得染料敏化光電池的光電轉(zhuǎn)化效率有了很大提高。Gratzel等以納米多孔TiO2膜為半導(dǎo)體電極，以有機(jī)化合物作染料，并選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)，發(fā)展了一種納米晶網(wǎng)絡(luò)太陽(yáng)能電池，終于在1991年取得了突破，在太陽(yáng)光下其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)7.1%，入射光子-電流轉(zhuǎn)換效率大于80%。從此，對(duì)各種納米晶網(wǎng)絡(luò)電極及敏化的納米晶網(wǎng)絡(luò)電極光電化學(xué)太陽(yáng)能電池的研究迅速開(kāi)展起來(lái)。染料敏化TiO2納米晶太陽(yáng)能電池以其較低的價(jià)格、較高的性能價(jià)格比而受到普遍關(guān)注，它極有可能被產(chǎn)業(yè)化并取代現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池產(chǎn)品。 目前，染

2、料敏化TiO2納米晶太陽(yáng)能電池還有許多重要的理論和實(shí)驗(yàn)問(wèn)題有待解決，尤其是一些關(guān)于染料敏化TiO2納米晶太陽(yáng)能電池的工作機(jī)制和其中的基本過(guò)程的問(wèn)題。要研究這些問(wèn)題，就必須了解其內(nèi)部各參數(shù)與電池的外部特性之間的聯(lián)系，而電池的內(nèi)部參數(shù)是很難直接測(cè)量的。所以，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)研究電池的內(nèi)部參數(shù)對(duì)外部特性的影響是一個(gè)很好的思路。 在染料敏化TiO2納米晶太陽(yáng)能電池的計(jì)算機(jī)模擬方面，所作的研究工作還比較少，主要集中在兩個(gè)方面：一方面是從電化學(xué)角度建立的模型，另一方面是從光傳輸?shù)慕嵌妊芯窟@種太陽(yáng)能電池。上述工作使人們對(duì)這種太陽(yáng)能電池的工作機(jī)制的理解更加深入，在對(duì)這種太陽(yáng)能電池的研究中起到了重要的指導(dǎo)作用。

3、但是，上述工作也有一些不足，比如，它們都沒(méi)有系統(tǒng)全面的研究電池內(nèi)部各參數(shù)對(duì)電池中的基本過(guò)程的影響，它們不能定量給出電池的光學(xué)過(guò)程與電化學(xué)過(guò)程之間的聯(lián)系。本論文的工作正是圍繞這些不足所展開(kāi)的。 本論文建立了一個(gè)準(zhǔn)一維的綜合考慮電化學(xué)過(guò)程和光傳輸過(guò)程的染料敏化TiO2納米晶太陽(yáng)能電池的模型。其中載流子的傳輸采用擴(kuò)散漂移模型，陽(yáng)極采用歐姆接觸模型，陰極采用電流超電勢(shì)模型，光束的傳播采用Fourflux傳輸模型，光散射過(guò)程采用Mie單球散射模型。這一染料敏化TiO2納米晶太陽(yáng)能電池的模型可以用來(lái)研究在不同條件下電池中載流子的分布、載流子的流密度分布、電場(chǎng)分布和光強(qiáng)分布。還可以用來(lái)研究電池各個(gè)內(nèi)部參數(shù)對(duì)

4、電池中基本過(guò)程的影響。 通過(guò)用上述模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬研究，得到了如下結(jié)果： 1） 電池中的電位降很小，電場(chǎng)對(duì)載流子傳輸?shù)挠绊懞蛯?duì)電池輸出電壓的影響可以忽略，電池中載流子傳輸?shù)闹饕獎(jiǎng)恿κ禽d流子的濃度梯度，電池發(fā)電主要是由電池中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程決定的。 2） 電池中的電子密度分布和電子電流密度分布是由電池中的電子損失過(guò)程和電子產(chǎn)生過(guò)程之間的競(jìng)爭(zhēng)與平衡決定的。本論文根據(jù)染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)，忽略了電池中的一些次要過(guò)程，電子產(chǎn)生過(guò)程主要考慮了光誘導(dǎo)下染料向TiO2導(dǎo)帶的電子注入，電子損失過(guò)程主要考慮了TiO2導(dǎo)帶中電子被I3氧化的電子弛豫過(guò)程和陽(yáng)極對(duì)TiO2導(dǎo)帶中電子的收集過(guò)程。 3） 電池中

5、I-和I3的濃度分布主要是由電池中的兩個(gè)氧化還原過(guò)程決定的。一個(gè)是在陰極處I- /I3電對(duì)的氧化還原過(guò)程，另一個(gè)是在TiO2表面氧化還原過(guò)程（其中包括I-把染料還原的過(guò)程和TiO2導(dǎo)帶中電子把I3還原的電子遲豫過(guò)程）。 4） 電池的短路電流Isc和開(kāi)路電壓Voc都隨電子弛豫速率Ke的增大而減小，其中Isc的增大有飽和趨勢(shì)，它受到電子注入數(shù)量的限制，而Voc的增大沒(méi)有飽和趨勢(shì)。 5） 隨著Ke的增大，電子在電池中的損失速率增加，電子濃度和電子電流密度都要下降；隨著Ke的減小，I3在TiO2表面被還原的數(shù)量降低，更多的I3要遷移到陰極才能被還原，這時(shí)I-和I3的濃度梯度較大。 6） 隨著有效電子遷

6、移率Ue的增大，電池的短路電流Isc增大，開(kāi)路電壓略有減小，Isc的增大受到電子注入數(shù)量的限制而有飽和趨勢(shì)。 7） 隨著Ue的減小，陽(yáng)極對(duì)電子的收集能力減弱，電子電流密度減小，電子濃度增加；Ue增大有利于電子濃度的平滑化；當(dāng)Ue小到使電子有效自由程小于電池厚度時(shí)，電子密度出現(xiàn)峰值。 8） 隨著Ue的減小，更多的電子在沒(méi)運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極前就通過(guò)把I3還原的過(guò)程而被損失掉了，這時(shí)更多的I3不用運(yùn)動(dòng)到陰極去就可以被還原，所以這時(shí)I- 和I3的濃度梯度較小。 9） 短路電流Isc隨電池厚度的增加先是增加后來(lái)飽和并略有下降，Isc在厚度為12mm時(shí)最大；Voc隨厚度的增加而單調(diào)下降，但下降幅度很小。另一方面要

7、提高電池的性能價(jià)格比，還必須盡量減小電池的厚度。所以電池的最佳厚度應(yīng)該在10mm-12mm之間。 10） 12mm以外對(duì)電池的短路電流Isc幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。12mm以后短路電子密度Ne幾乎不隨位置變化。隨著厚度增大，電池的開(kāi)路電子密度減小，開(kāi)路電子電流密度增大。 11） 隨著透明電極電阻RTco的減小，電池的填充因子增大。 12） 隨著電池漏電阻Rp的增大，Isc、Voc和填充因子增大，其中Isc和Voc的增大有飽和的趨勢(shì)。 13） 采用在電池中加散射體和在陰極處加反射面的方法，可以增加電池中漫射光的強(qiáng)度，在電池中產(chǎn)生光學(xué)限域現(xiàn)象，有利于染料對(duì)光的吸收，可以有效地增加Isc。 14） 采用在陰極處加漫反射面的方法，可以起到與上一種方法同樣的作用，并且方法簡(jiǎn)便。 本論文通過(guò)對(duì)電池較詳盡的模擬，對(duì)電池中載流子的產(chǎn)生和損失機(jī)制、載流子的輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了較詳盡的分析，獲得了對(duì)電池中的基本過(guò)程的進(jìn)一步了解，這將對(duì)染料敏化TiO2納米