染料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展

染料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能是解決目前能源問(wèn)題的行之有效的手段。目前發(fā)展最成熟的太陽(yáng)能電池是硅基太陽(yáng)能電池，單晶硅太陽(yáng)能電池的效率已達(dá)到25%以上，但是它對(duì)材料的純度要求高、制作工藝復(fù)雜、成本昂貴，這極大地限制了它的廣泛應(yīng)用。1991年，瑞士洛桑高等工業(yè)學(xué)院的Gratzel教授及其小組報(bào)道了染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池（dye-sensitizedsolarcells，DSSC）的光電轉(zhuǎn)化效率為7.1%，從此由于它簡(jiǎn)單的制作工藝、相對(duì)高的光電轉(zhuǎn)化效率、低廉的成本等優(yōu)點(diǎn)迅速成為廣大科學(xué)家及科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)。一、染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）的

結(jié)構(gòu)與原理1.結(jié)構(gòu)DSSC的結(jié)構(gòu)是典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，光敏染料太陽(yáng)能電池的構(gòu)造和原理如圖1，一般是由光陽(yáng)極、敏化染料、氧化還原電解質(zhì)以及對(duì)電極（通常為鉑電極）組成。其中光陽(yáng)極包括：透明導(dǎo)電基底（這里為導(dǎo)電玻璃）、納米多孔半導(dǎo)體。圖1染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖2.工作原理當(dāng)太陽(yáng)光照射在染料敏化太陽(yáng)能電池上，染料分子中基態(tài)電子被激發(fā)，激發(fā)態(tài)染料分子將電子注入到納米多孔半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，注入到導(dǎo)帶中的電子迅速富集到導(dǎo)電玻璃面上，傳向外電路，并最終回到對(duì)電極上。而由于染料的氧化還原電位高于氧化還原電解質(zhì)電對(duì)的電位，這時(shí)處于氧化態(tài)的染料分子隨即被還原態(tài)的電解質(zhì)還原。然后氧化態(tài)的電解質(zhì)擴(kuò)散到對(duì)電極上得到電子再生，如此循環(huán)，即產(chǎn)生電流。電池的最大電壓由氧化物半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)和氧化還原電解質(zhì)電對(duì)的電位決定。二、染料敏化太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀1.光陽(yáng)極上納米多孔半導(dǎo)體的研究進(jìn)展DSSC光陽(yáng)極上的半導(dǎo)體材料多采用納米多孔TiO2，它是染料分子的載體，同時(shí)分離并傳輸電荷。目前光陽(yáng)極的研究重點(diǎn)主要是兩方面：①尋找制備半導(dǎo)體光陽(yáng)極薄膜時(shí)，可以增大TiO2比表面積和改善TiO2表面活性的方法；②由于電子在TiO2薄膜中電子的傳輸阻力大，影響電池轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高，故尋找可以替代TiO2的其它半導(dǎo)體材料。1.1光陽(yáng)極上半導(dǎo)體薄膜的制作方法制備光陽(yáng)極納米多孔薄膜的方法很多，包括溶膠-凝膠法，粉末涂敷法、水熱法、液相沉積法、化學(xué)氣象沉積法、電化學(xué)法等。其中粉末涂敷法在工業(yè)生產(chǎn)中稱(chēng)為絲網(wǎng)印刷法，具有工藝簡(jiǎn)單、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，為電池的大規(guī)模工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。以上方法所制得的都是無(wú)序膜，內(nèi)在的傳導(dǎo)率較小，不利于電荷載流子的分離和傳輸。電子在納米晶網(wǎng)絡(luò)的傳輸過(guò)程中與電子受體的復(fù)合也會(huì)引起電流的損失，在電極面積放大時(shí)尤為突出。未來(lái)膜電極的發(fā)展方向是制備高度有序的薄膜結(jié)構(gòu)，如納米管、納米棒、納米線(xiàn)、納米陣列等。這些氧化物半導(dǎo)體薄膜垂直平行排列于導(dǎo)電玻璃片的表面，其結(jié)構(gòu)的有序性，利于電子空穴對(duì)的分離和傳輸且易于控制，有望進(jìn)一步提高短路電流和開(kāi)路電壓。Nicholas等比較了高度有序的TiO2納米棒陣列、高度有序的TiO2納米管陣列、燒結(jié)的納米TiO2粉體薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率，結(jié)果表明高度有序的TiO2納米棒陣列薄膜作為光陽(yáng)極時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到了5.4%。1.2光陽(yáng)極上半導(dǎo)體薄膜的改性方法為了提高DSSC半導(dǎo)體薄膜中電子的傳輸效率，需要對(duì)薄膜表面進(jìn)行修飾，常用的方法有表面改性、半導(dǎo)體復(fù)合、離子摻雜以及紫外誘導(dǎo)等。表面改性有TiCl4表面處理，TiCl4表面處理后的TiO2膜電子注入效率提高[17]，單位體積內(nèi)的TiO2量增多[18]，TiO2的導(dǎo)電帶邊位置降低[19]，最終提高了電池的開(kāi)路電壓與短路電流。黃春輝等[20]還使用酸處理對(duì)薄膜表面進(jìn)行改性，電池的電流、電壓與轉(zhuǎn)換效率都有提高。半導(dǎo)體復(fù)合敏化是在TiO2膜表面包覆一層導(dǎo)帶位置比較高的氧化物半導(dǎo)體，敏化后的薄膜能更有效地吸收光能，復(fù)合膜的形成能夠改變薄膜中電子的分布，抑制載流子在傳導(dǎo)過(guò)程中的復(fù)合，提高電子傳輸效率。例如，TiO2表面包覆ZnO、Nb2O5、SrO、CdS、PbS等金屬氧化物后電池效率均有提高[21]。再如，莊東填等[22]在TiO2光陽(yáng)極表面分別包覆了一薄層Al2O3、MgO、ZnO之后，得到DSSC的光電壓都有明顯的增大。離子的摻雜會(huì)影響電極材料的能帶結(jié)構(gòu)，會(huì)抑制電子空穴對(duì)的復(fù)合，提高光生電荷的分離效率，離子摻雜一般是摻雜稀土元素與過(guò)渡金屬元素[23-24]。UV紫外照射，也會(huì)提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，2001年，Suzanne等[25]用紫外光照射TiO2電極后發(fā)現(xiàn)，光電流得到大幅度的提高，整體的光電轉(zhuǎn)換效率提高45倍，并且當(dāng)停止紫外光照射后，UV對(duì)電池的影響作用仍然存在一段時(shí)間。1.3光陽(yáng)極上半導(dǎo)體薄膜材料有研究表明電子在TiO2薄膜中的運(yùn)動(dòng)受到束縛，在多孔膜中停留時(shí)間長(zhǎng)，和電解質(zhì)的復(fù)合的概率大，導(dǎo)致暗電流增加，從而降低了TiO2電池總的效率。可以代替TiO2的氧化物半導(dǎo)體有ZnO、SnO2、Nb2O等。在這些材料中，ZnO是最有可能成為替代TiO2的氧化物之一，電子在ZnO中有較大的遷移率，有望減小電子在薄膜中的傳輸時(shí)間。且納米ZnO的制備要比TiO2簡(jiǎn)單得多，可以進(jìn)一步降低電池成本。曾隆月等使用絲網(wǎng)印刷法制備納米ZnO作為光陽(yáng)極制作染料敏化薄膜太陽(yáng)電池，得到的電池效率高達(dá)2.22%。最近有報(bào)道使用20nm的ZnO粉體制成薄膜，組裝成電池得到的光電轉(zhuǎn)換效率η提高到6.58%。2.敏化染料的研究進(jìn)展敏化染料在DSSC中起著吸收可見(jiàn)光并提供電子的作用，是電池的關(guān)鍵組成部分。高性能的敏化染料首先要能夠很好的吸附在半導(dǎo)體表面，其次敏化染料的禁帶寬度需要比半導(dǎo)體薄膜的禁帶寬度