染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)原理介紹報(bào)告人秦琦

染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)原理介紹報(bào)告人秦琦第一頁(yè)，共25頁(yè)。什么是染料敏化太陽(yáng)能電池？“染料敏化太陽(yáng)能電池”全稱為“染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池”，是模擬自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的納米多孔TiO2半導(dǎo)體膜作為光陽(yáng)極，并選用適當(dāng)?shù)难趸?還原電解質(zhì)，用鍍鉑的導(dǎo)電玻璃作為光陰極，這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的染料敏化太陽(yáng)能電池就做好了。只要太陽(yáng)光一照到電池上，它就會(huì)源源不斷的開始發(fā)電了。第二頁(yè)，共25頁(yè)。第三頁(yè)，共25頁(yè)。DSSC的工作原理太陽(yáng)光照射到電池表面時(shí)，吸附在二氧化鈦光陽(yáng)極表面的染料分子受到激發(fā)由基態(tài)S躍遷到激發(fā)態(tài)S*,然后將一個(gè)電子注入到二氧化鈦導(dǎo)帶內(nèi)，此時(shí)染料分子自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)S+。注入到二氧化鈦層的電子富集到導(dǎo)電基底，并通過(guò)外電路流向?qū)﹄姌O,形成電流。處于氧化態(tài)的染料分子從電解質(zhì)溶液中的電子給體得到電子，自身恢復(fù)為還原態(tài)，使染料分子再生。被氧化的電子給體擴(kuò)散至對(duì)電極,在對(duì)電極表面得到電子，被還原,從而完成一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)。第四頁(yè)，共25頁(yè)。A.F.Nogueira,C.Longo,M.A.DePaoli.Polymersindyesensitizedsolarcells:overviewandperspectives[J].CoordinationChemistryReviews,248(2004)1455-1468.WorkingprincipleofconductingpolymerusinginDSSCasHTM第五頁(yè)，共25頁(yè)。PrincipleofdyesensitizedsolarcellO’ReganB.&Gr?tzelM.Nature353(1991)737Gr?tzelM.Nature414(2001)338kinjkbket第六頁(yè)，共25頁(yè)。染料敏化太陽(yáng)能電池的基本反應(yīng)第七頁(yè)，共25頁(yè)。電池的光電性能評(píng)價(jià)I-V曲線第八頁(yè)，共25頁(yè)。影響光電流的因素光子吸收和電子傳輸分別由染料分子和半導(dǎo)體材料來(lái)承擔(dān)的。因此染料分子和半導(dǎo)體對(duì)光電流產(chǎn)生顯得尤為重要。染料分子的激發(fā)態(tài)能級(jí)高于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底能級(jí)；染料分子的激發(fā)態(tài)壽命影響電子注入的效率；注入導(dǎo)帶的電子發(fā)生回遷，與染料分子復(fù)合；電子與電解質(zhì)中I3-復(fù)合；總的來(lái)說(shuō)，電子注入速率越高，電荷復(fù)合過(guò)程的速率越低，電子在電路傳輸過(guò)程中的損失就越小，光生電流強(qiáng)度就越大，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率也就越高。第九頁(yè)，共25頁(yè)。PrincipleofdyesensitizedsolarcellO’ReganB.&Gr?tzelM.Nature353(1991)737Gr?tzelM.Nature414(2001)338kinjkbket第十頁(yè)，共25頁(yè)。影響光電壓的因素理論的開路電壓Voc值等于光照條件下TiO2半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)（Efemi）與電解質(zhì)中氧化還原電對(duì)的能斯特電勢(shì)（ER/R-）之差。

q表示完成一個(gè)氧化還原循環(huán)過(guò)程需要轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目，Jdk指的是暗電流的電流密度，k指波爾茲曼常數(shù)。

第十一頁(yè)，共25頁(yè)。影響填充因子的因素填充因子可以反映太陽(yáng)能電池的輸出性質(zhì)，是一個(gè)重要參數(shù)。太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻越小，并聯(lián)電阻越大，填充系數(shù)就越大，反映到太陽(yáng)能電池的電流-電壓特性曲線上，曲線就越接近矩形，此時(shí)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率就越高。填充因子與電池的內(nèi)阻有關(guān)。內(nèi)阻越大，填充因子越小。從化學(xué)上分析，內(nèi)阻還受電解質(zhì)的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)限制，也就是電解質(zhì)中的氧化還原電偶擴(kuò)散速率的快慢限制。填充因子受TiO2光陽(yáng)極與電解質(zhì)界面影響較大，導(dǎo)帶中的電子在電解質(zhì)內(nèi)復(fù)合越嚴(yán)重，則FF越小。第十二頁(yè)，共25頁(yè)。電解質(zhì)電解質(zhì)需要滿足的條件：（1）電解質(zhì)氧化還原電對(duì)的氧化還原電勢(shì)應(yīng)與染料分子的能級(jí)匹配；（2）電解質(zhì)中的離子傳輸速率較快；（3）在可見光吸收光譜范圍內(nèi)電解質(zhì)的吸收較弱；（4）電解質(zhì)的氧化還原過(guò)程的可逆性良好。電解質(zhì)可分為液態(tài)、準(zhǔn)固態(tài)以及固態(tài)電解質(zhì)。第十三頁(yè)，共25頁(yè)?？昭▊鬏敳牧希℉TM）被氧化的染料分子通過(guò)HTM得到電子，空穴經(jīng)由HTM層傳輸?shù)綄?duì)電極，在對(duì)電極上得到電子，完成一個(gè)電化學(xué)循環(huán)。第十四頁(yè)，共25頁(yè)。原位聚合聚苯胺固態(tài)電解質(zhì)SampleEpa(Vvs.SCE)Epc(Vvs.SCE)EHOMO(eV)CalculatedVoc(V)PANI0.7480.254-5.241.033

第十五頁(yè)，共25頁(yè)。固態(tài)電解質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu)圖第十六頁(yè)，共25頁(yè)。固態(tài)DSSC光電性能樣品短路電流密度（mA/cm2）開路電壓（V）填充因子效率（%）固態(tài)DSSC5.491.030.261.47液態(tài)DSSC14.600.640.4834.51第十七頁(yè)，共25頁(yè)。存在問題1.TiO2與空穴傳輸層之間的界面電荷復(fù)合率高;電池填充因子較低2.空穴傳輸材料本身的導(dǎo)電率很低；電池光電流較低3.電解質(zhì)與電極納米粒子之間的接觸性能差；影響界面上的電荷傳質(zhì)速度，降低填充因子第十八頁(yè)，共25頁(yè)。對(duì)電極對(duì)電極的特性和在其表面發(fā)生的還原反應(yīng)速率還會(huì)極大地影響著電池的性能和光電轉(zhuǎn)化效率，比如I3-在對(duì)電極上的還原反應(yīng)速度越快，太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)越好。為了提高電極的還原反應(yīng)速率，提高電池的壽命，減少能量損失，好的DSSC對(duì)電極材料必須要具有：高的導(dǎo)電性、高的電催化活性、高的比表面，電荷遷移電阻較小，氧化還原電勢(shì)較低，能將未被染料吸收的太陽(yáng)光反射回光陽(yáng)極等。第十九頁(yè)，共25頁(yè)。3I--2e→I3-I3-+2e→3I-以LiI+I2+LiClO4的乙腈溶液為電解質(zhì)，20mv/s的掃速下進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試，得到I3-/I-在對(duì)電極上的氧化還原反應(yīng)。玻璃基體聚苯胺對(duì)電極樣品Epa(V)Epc（V）Eredox(V)理論Voc（V）PANI對(duì)電極0.515-0.196-4.8800.670Pt對(duì)電極0.378-0.145-4.8580.648第二十頁(yè)，共25頁(yè)。聚苯胺對(duì)電極光電性能樣品短路電流密度（mA/cm2）開路電壓（V）填充因子效率（%）聚苯胺對(duì)電極15.100.6680.474.74鍍鉑對(duì)電極14.600.640.4834.51第二十一頁(yè)，共25頁(yè)。不同基體對(duì)電極的光電性能樣品短路電流密度（mA/cm2）開路電壓（V）填充因子效率（%）聚苯胺/玻璃15.100.6680.474.74聚苯胺/不銹鋼14.270.690.6176.08聚苯胺/PET11.300.630.493.53鍍鉑對(duì)電極14.600.640.4834.51第二十二頁(yè)，共25頁(yè)。采用不銹鋼基體的聚苯胺DSSC電池具有較高的填充因子，正是由于不銹鋼基體的電阻值低，導(dǎo)電性好，有效地降低了電池