太陽能電池的原理

納米晶TiO2太陽能電池摘要：太陽能電池的發(fā)明，為能源短缺的今天提供了一條很好的解決途徑。本文詳細(xì)論述了太陽能電池的原理，以及二氧化鈦太陽能電池的原理以及應(yīng)用。關(guān)鍵字：TiO2太陽能電池環(huán)境污染和能源短缺是現(xiàn)在面臨的兩大問題。電能是一種高品位能量，利用、傳輸和分配都比較方便。將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重要技術(shù)基礎(chǔ)，世界各國都十分重視。這里詳細(xì)介紹TiO2太陽能電池。一、 太陽能電池太陽能電池是一種利用光電材料吸收太陽光光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)的器件。太陽能光電池可分為固體光電池和液體光電池。前者如硅太陽能電池；后者如半導(dǎo)體電解質(zhì)太陽能電池。制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池又可分為：硅太陽能電池；無機(jī)化合物太陽能電池如神化稼、硫化鎘、銅鋼硒電池；有機(jī)/聚合物太陽能電池；納米晶太陽能電池等。盡管制作電池的材料不同，但其材料一般應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求：半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；對環(huán)境不造成污染；便于工業(yè)化生產(chǎn)且性能穩(wěn)定。二、 Ti02納米太陽能電池的制備合成Ti02納米粒子，方法有很多，多數(shù)用水解法，然后制備TiO2納米晶膜，即將T102納米微粒均勻沉積在導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面形成10nm厚的納米多孔膜，在控溫爐內(nèi)于450X：500X：高溫下最燒30min,形成納米粒子間的電接觸，其粗糙度達(dá)780。最后在納米粒子上吸附一層高效染料敏化劑形成光陽極，其中染料為RuL2(n-(CN))RuV^L^,(L為2,2'-bipyridine-4,4'dicarboxy1icacid,L'為2,2'-bipyridine)電解液為0.5mol/L碘化四丙胺和0.04mol/L碘，溶劑為v(碳酸乙烯酯)：v(乙E)=80:20的混合物，對電極是沉積很薄一層鎧且經(jīng)緞燒的導(dǎo)電玻璃。這種電池對太陽模擬光總的光電轉(zhuǎn)換效率為7.9%,對散射日光光電轉(zhuǎn)換效率為10%。三、電池的結(jié)構(gòu)和工作原理納米晶化學(xué)太陽能電池是由一種在禁帶半導(dǎo)體材料修飾、組裝到另一種大能隙半導(dǎo)體材料上形成的，窄禁帶半導(dǎo)體材料采用過渡金屬Ru以及Os等的有機(jī)化合物敏化染料，大能隙半導(dǎo)體材料為納米晶二氧化鈦并制成電極，此外NPC電池還選用適當(dāng)?shù)难趸贿€原電解質(zhì)。電池的基本結(jié)構(gòu)主要包括透明導(dǎo)電基片(導(dǎo)電玻璃)，多孔納米Ti02薄膜、染料、敏化劑、電解液和透明對電極幾個(gè)部分。M血坡璃透明電極圖1液.體電解盾播料敏化二氧化軼電池的結(jié)構(gòu)示老因Fig.1ThesuuttuieofcJye-sensHizedTiO；solarcellusedliquid-electrolyte電子能級(jí)的相對位置決定光生電荷的產(chǎn)生和傳輸特征。當(dāng)能量低于半導(dǎo)體納米T102禁帶寬度但等于染料分子特征吸收波長的人射光照射在電極上時(shí)，吸附于Ti02表面的染料分子中的電子受激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)染料分子向Ti02納米晶導(dǎo)帶中注人電子，電子在Ti02納米晶導(dǎo)帶中靠濃度擴(kuò)散流向基底傳向外電路。由于納米粒子摻雜濃度低，因而減少了復(fù)合機(jī)會(huì)，而染料分子失去電子后變?yōu)檠趸瘧B(tài)，此時(shí)氧化態(tài)的染料分子再由對電極提供電子而變?yōu)樵瓲顟B(tài)，從而完成一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)，形成光電流。整個(gè)過程由式(1)一(4)表示：第一階段是染料分子被激發(fā).激發(fā)電子注入Ti02導(dǎo)帶，產(chǎn)生光電流；S"+hvfS*S*-S*+e"(2)第二階段是電子在Ti02薄膜中的輸運(yùn)；第三階段是電子在Ti02薄膜中的收集；第四階段是電子在外電路中傳遞；第五階段是電解所被還原；11+2e—31.第六階段染料被還原；Ti02(導(dǎo)帶)+e_fTiO2(eQ S++R-S°+R4(3)RA+e?——R(4)其中：S°-基態(tài)染料分子；S*—激發(fā)態(tài)染料分子；s+一氧化態(tài)染料分子；R7R一氧化還原對。

導(dǎo)電玻軸電極電勢"i二氧化錢染料導(dǎo)電玻軸電極電勢"i二氧化錢染料負(fù)戟圖2TiO2納來丸陽能電池工作原理田Fig.2TheprincipleofopfrAtionofthedye—sensitizedTOnan6etystalJinesolarcell四、納米晶化學(xué)太陽能電池的影響因素納米二氧化鈦膜納米二氧化鈦的粒徑和膜的微結(jié)構(gòu)對光電性能的影響很大。首先，納米膜的多孔性使得它的比表面積遠(yuǎn)比其幾何面積大，從而大大提高了其表面吸附能力，有利于染料分子的吸收和吸收太陽光，同時(shí)提高光電量子效率。另外，納米二氧化鈦的粒徑小也會(huì)導(dǎo)致其大的比表面積，但同時(shí)其電極的孔徑將隨著變小。一般情況下，表面積越大，吸附能力越強(qiáng)，吸附染料分子越多，光生電流也就越強(qiáng)。但另一方面孔徑變小不利于光電效率的提高，因?yàn)樾】孜饺玖戏肿雍螅Ｓ嗟目臻g太小，導(dǎo)致電解所在其中的擴(kuò)散速度降低，從而電流產(chǎn)生效率下降。除納米二筑化鈦外，其它的半導(dǎo)體筑化物如氧化鋅(ZnO)，筑化錫(Sn02)和氧化視(Nb2O5)也都可作為二氧化鈦的替代品，但其轉(zhuǎn)化效率都遠(yuǎn)不及二^化鈦太陽能電池，分別只達(dá)到1.2%,1.4%和4%，盡管它們的禁帶寬度都在3.2左右，見表1。

電池類型掬路電說甲度(mA1cm-)開路電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)化效率 % 硅系太陽能電池單晶硅23.3宇晶硅19.9非晶硅&2713無機(jī)化合物太陽能電池GiAs27.11.03823.3GilnP13.91.32114.7GmAs-GiSb31.1CIS17.1聚合物太陽能電池MEH-PP\CW7納米晶化學(xué)太陽能電池TiO:16.90.S2310ZkO1.2S0O21.4Nb-O?12.40.674(2)染料敏化劑染料是染料敏化納米晶太陽能電池中的重要組成部分。敏化劑與半導(dǎo)體表面的化學(xué)鍵合不僅可以使敏化劑牢固的吸附到表面上，而且還可以增強(qiáng)電子耦合及改變表面態(tài)能量有利于電荷的轉(zhuǎn)移。研究結(jié)果表明通過優(yōu)化染料敏化劑，如配位體和前趨體及其制備工藝，可以提高二氧化鈦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。如利用榭系列配合物敏化劑，其光電轉(zhuǎn)化效率可超過10%。⑶電解質(zhì)染料敏化納米晶太陽能電池的電解質(zhì)溶液中的^化還原對一般為13-/1-，其作用是還原被氧化的染料分子。溶劑和金屬離子的種類變化對電池的電流輸出影響較大。另外對電極的周列向也不可忽略。電解質(zhì)中13-需要在對電極上得到電子以便再生成I-。一般的對電極是一層金屬鎧。但鎧的成本太高，不利于電池的廣眨應(yīng)用。由于碳高的導(dǎo)電性能和對13-高的催化性能，因此也可利用多孔碳電極作為對電極，同樣可達(dá)到理想的效果。(4)電池封裝及結(jié)構(gòu)致密是影響電池性能和使用壽命的關(guān)鍵，因此封裝材料要求比較高不僅要抗溫度變化和太陽光爆曬，還要有對抗電解質(zhì)腐蝕的長期穩(wěn)定性。電池組是由多個(gè)單電池組成的，可以提高其輸出功率。它可以串聯(lián)或/和并聯(lián)的方式把多個(gè)單電池組合在一起。五、納米二氧化鈦的優(yōu)點(diǎn)：①可以制成透明的產(chǎn)品；②可以在各種光照條件下使用；③對光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光；④可在柔性基底上制備，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍；⑤工作溫度寬，可高達(dá)70攝氏度；⑥成本大大降低.六、液態(tài)電解質(zhì)存在的缺陷由于密封工藝復(fù)雜，長期放置造成電解液泄金錄，且電池中還存在密封劑與電解液的反應(yīng)；在液體電解質(zhì)中，電極有光腐蝕現(xiàn)象，且敏化染料易脫附；高溫下溶劑揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致其與染料作用使染料降解；電解液內(nèi)存在氧化一還原反應(yīng)以外的反應(yīng)，會(huì)使離子反向遷移導(dǎo)致光生電荷復(fù)合機(jī)會(huì)增加，降低光電轉(zhuǎn)換率；光生電荷在光陽極的遷移靠擴(kuò)散控制，這使光電流不穩(wěn)定；電池形狀設(shè)計(jì)受到限制。為了解決液態(tài)電解質(zhì)帶來的這一系列問題，學(xué)者們以固態(tài)空穴傳翰材料取而代之制備出全固態(tài)納米太陽能電池，并取得可喜的成就。所以對染料敏化納米晶太陽能電池應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。納米材料制備：電子在納米晶傳輸過程中會(huì)與電子受體發(fā)生復(fù)合從而引起電流損失，因此需要在探索電極微結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)的基礎(chǔ)上，尋找制備方法簡單，性能優(yōu)異的TiO2納米晶材料，以減少電子在傳輸過程中的損失。界面特性：Ti02與染料之間，Ti02、染料敏化劑和電解質(zhì)三者之間，Ti02與導(dǎo)電玻璃之間等都存在界面問題，因此需要對界面之間的電子注入和傳輸機(jī)理進(jìn)行研究。提高電池的開路電壓：現(xiàn)在所制得染料敏化納米晶太陽能電池的開路電壓較低，一般都小于1V，提高開路電壓將是今后研究的一個(gè)方向。染料：設(shè)計(jì)合成成本低，性能良好，能吸收大部分可見光敏化染料，從而提高染料敏化納米晶太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。電解質(zhì)：目前使用的液態(tài)電解質(zhì)，由于存在一些問題，使得全固態(tài)納米太陽能電池成為一個(gè)重要的研究方向，以提高其穩(wěn)定性和使用壽命。大面積電池：要想使染料敏化納米晶太陽電池走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化必須對大面積電池進(jìn)行研究。染料敏化納米晶太