染料敏化太陽電池

染料敏化太陽能電池

（Dye-sensitizedsolarcell，簡稱DSC或DSSC）12染料敏化太陽能電池（DSSC）DSSC的技術(shù)指標(biāo)DSSC發(fā)展簡介31提高DSSC光電效率的研究3334DSSC的組成及工作原理32DSSC制備流程35DSSC產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀36

目前，DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在13％以上，壽命能達(dá)15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10。低成本是DSSC的突出優(yōu)勢。3DSSC發(fā)展簡介

1991年，Gr?tzelM.于《Nature》上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽能電池(DSSC)的文章，以較低的成本得到了>7%的光電轉(zhuǎn)化效率，為利用太陽能提供了一條新的途徑。1997年，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了10%~11%，短路電流達(dá)到18mA/cm2,開路電壓達(dá)到720mV。1998年，采用固體有機空穴傳輸材料替代液體2013年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(MichaelGr?tzel)的研究小組、英國牛津大學(xué)和日本桐蔭橫濱大學(xué)的研究小組，分別獨立開發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率超過15％的固體型染料敏化太陽能電池。電解質(zhì)的全固態(tài)Gr?tzel

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。生產(chǎn)工藝簡單，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；制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣；在各種光照條件下使用；光的利用效率高；對光陰影不敏感……4優(yōu)勢5DSSC的組成6葉綠體的結(jié)構(gòu)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，起著支撐敏化劑染料分子、增加吸收太陽光的面積和傳遞電子的作用。敏化劑染料分子相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素，起著吸收太陽光光子的作用。DSSC和植物的光合作用7DSSC的工作原理光電陽極:

Dye+hν→Dye*(染料激發(fā))Dye*→Dye++ｅ-(TiO2)(產(chǎn)生光電流)

Dye++1.5I－

→Dye+0.5I3-(染料還原)陽極發(fā)生的凈反應(yīng)為:1.5I－+ｈν→0.5I3-+ｅ-(TiO2)對電極:

0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(電解質(zhì)還原)整個電池的反應(yīng)結(jié)果為:ｅ-(Pt)+ｈν→ｅ-(TiO2)(光電流)8+.9太陽電池受載特性曲線（1）短路電流（Isc)：當(dāng)太陽電池的輸出端短路時（V=0)。與入射光強度成正比。（2）開路電壓（Voc)

：當(dāng)太陽電池的輸出端開路時（I=0).（3）填充因子：接上負(fù)載R時，所得的負(fù)載I-V曲線如圖。當(dāng)負(fù)載Rm使功率輸出為最大時，對應(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FF愈大則輸出功率愈高；FF取決于入射光強、材料的禁帶寬度、串聯(lián)和并聯(lián)電阻等DSSC的評價技術(shù)指標(biāo)10（4）太陽電池轉(zhuǎn)換效率（）：最大輸出功率與照射到太陽電池的總輻射能（Pin）之比。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111213——重點研究的三大方面提高DSSC光電效率的研究14性能優(yōu)的敏化劑：釕的多吡啶配合物（*較強的可見光吸收、良好的光電化學(xué)性能、激發(fā)態(tài)穩(wěn)定）15161718192021Coupledsemiconductor(耦合式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體)Cappedsemiconductor(核殼式結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體)2223——重點研究的三大方面提高DSSC光電效率的研究242氧化物半導(dǎo)體薄膜（1）TiO2納米晶（用的最多、效率最高）

優(yōu)點：含量豐富、價格便宜、無毒、穩(wěn)定、抗腐蝕性好一般采用銳鈦型TiO2。

易實現(xiàn)對TiO2晶型和粒徑的有效控制多孔薄膜制備法：浸漬法、旋涂法、絲網(wǎng)印刷法、濺射法、水熱反應(yīng)法、醇鹽水解法、高溫溶膠噴射沉積、等離子噴涂等粉體制備方法：溶膠-凝膠法、TiCl4水解法、電化學(xué)等

**微觀結(jié)構(gòu)（孔徑氣孔率）25**ZnO一維結(jié)構(gòu)(a–d)siliconsubstrate(e–h)substrateD.-I.Suhetal.ChemicalPhysicsLetters442(2007)348–35326——重點研究的三大方面提高DSSC光電效率的研究271電解質(zhì)體系

作用：

（1）復(fù)原染料，傳輸電荷（2）引起半導(dǎo)體、染料和氧化還原對能級的改變，導(dǎo)致體系動力學(xué)特性變化，從而對光電壓和轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生很大影響。

28DSSC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)。

關(guān)鍵：氧化還原電對（1）快速與陰極電子反應(yīng)，減少電子在陰極的積累；（2）對陽極光電子反應(yīng)活性低，減少暗反應(yīng)；（3）氧化還原電勢與染料能級匹配，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293031DSSC制備流程323334353637最新進(jìn)展

鈣鈦礦基的有機無機混合結(jié)晶材料CH3NH3PbI3作為敏化材料首次實現(xiàn)了可與結(jié)晶硅型太陽能電池相匹敵的轉(zhuǎn)換效率38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月提出的太陽能電池。當(dāng)時，很多人嘗試采用無機半導(dǎo)體微粒——量子點作為敏化材料，制造“量子點增感型太陽能電池”。宮坂指出“量子點效率低，并且存在電流反向流動等許多課題”。因此，將目光轉(zhuǎn)向了CH3NH3PbI3。CH3NH3PbI3不僅能高效吸收從可見光到波長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。非常適合涂布工藝。

不過，宮坂等人在2009年試制時，采用了傳統(tǒng)的DSSC電解液，轉(zhuǎn)換效率只有3.8％。394015.36%19.3%(2014)>20%(2015)41宮坂表示:此次的太陽能電池采用現(xiàn)在的材料和技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到17％。將來，還能夠達(dá)到21％隨著工藝不斷優(yōu)化，轉(zhuǎn)換效率僅三四年時間就猛增至20％。42表面改性、離子摻雜等，提高染料吸光能力、與納米材料能帶匹配形貌控制、提高染料吸附量、能帶匹配度、電子傳輸速度等提高電子傳輸速度43瑞士的Solaronix和澳大利亞的Dyesol是目前世界上規(guī)模最大的兩家以DSC為主要經(jīng)營方向的公司，產(chǎn)品涵蓋了包括TiO2漿料、染料、電解液、對電極和封裝材料等在內(nèi)的制備DSC所需基本原料及相關(guān)的制備和測試設(shè)備。瑞士Solaronix公司用17個10cm

*10cm的單元電池組成了集成化電池。澳大利亞的STI公司已開始出售以BIPV為名的DSC陣列。2001年，Dyesol

Industry(原STI)建造了世界上第一個面積為200m2的DSC電池示范屋頂，展示了DSC在建筑行業(yè)的應(yīng)用前景。歐洲方面，英國Cardiff的G24innovation和以色列的3GSolar新興公司備受矚目。

G24innovation受惠于美國Konarka公司的roll-to-roll工藝，于2006年建成了20MW的柔性DSC生產(chǎn)線。已開發(fā)出以透明導(dǎo)電涂層聚合物薄膜為基底的柔性DSC產(chǎn)品。并與香港一家公司合作，開始出貨結(jié)合了DSC充電模塊的背包。這是世界上首個基于DSC的商品。3GSolar也已經(jīng)可以小規(guī)模生產(chǎn)基于玻璃基底的DSC模塊。該公司主要致力于DSC模塊的保護以及穩(wěn)定性改良，并預(yù)計經(jīng)過2010～2013年新的一輪融資和試產(chǎn)后，在2014年推出其第一代商品化模塊。最近，在愛爾蘭新成立的Solarprint，也準(zhǔn)備從自身具備優(yōu)勢的印刷方面切入DSC的商品化中。DSSC國際產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀44亞洲方面，日本一直是DSC研究和商品化的大力倡導(dǎo)者。大型集團公司如Sharp和Sony一直在大力支持DSC的研發(fā)，目前DSC模塊的最高效率也是由這兩家公司先后保持的。依托于Toin大學(xué)Miyasak研究組的Peccell公司，則比較有希望在近期推出柔性DSC模塊。日本的AISIN精機公司和豐田中央研究所聯(lián)合開發(fā)了用作建筑—光伏一體化的DSC，將大約30個單塊電池組24cm*24cm的單元，8片單元再組合為一個模塊。（在單位時間，單位面積的發(fā)電量超過了硅基太陽能電池，今后的市場前景十分樂觀）Fujikura公司也一直致力于室外DSC

模塊的效率和穩(wěn)定性研究，并指出目前DSC

產(chǎn)業(yè)化的主要問題在于降低染料和光陽極漿料的價格。韓國的Timo公司和Acrosol公司通過引進(jìn)Dyesol