染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展

染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展摘要：介紹了染料敏化太陽能電池〔DSSC〕的根本結(jié)構(gòu)、工作原理和影響其光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵材料，如陽極材料、染料、電解質(zhì)、陰極材料；綜述了各組成局部的研究現(xiàn)狀和開展趨勢，以及電池放大和模塊集成方面的最新進(jìn)展。關(guān)鍵詞：染料敏化太陽能電池陽極材料染料電解質(zhì)陰極前言隨著社會的飛速開展，人類對于能源的需求進(jìn)一步增加。傳統(tǒng)能源，如石油、天然氣、煤炭的大量使用，不僅污染了全球的環(huán)境，還導(dǎo)致了全球變暖和溫室效應(yīng)等問題。太陽能作為一種可再生能源，和其他能源相比有著很多優(yōu)點(diǎn)：不會造成生態(tài)環(huán)境污染；取之不盡、用之不竭；本錢較低、功率巨大等。而太陽能電池又是開發(fā)利用太陽能最有效的方法之一。目前已經(jīng)商業(yè)化的硅太陽能電池，由于對材料的純度要求較高，工藝復(fù)雜，本錢昂貴，限制了它的普及和廣泛應(yīng)用。而20世紀(jì)90年代開展起來的染料敏化太陽能電池具有廉價(jià)、高效、制作工藝要求低、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，迅速成為當(dāng)今世界科學(xué)家的研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。對它的研究將有利于緩解當(dāng)今能源危機(jī)和環(huán)境污染的問題，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義。本文將簡單介紹了DSSC的根本結(jié)構(gòu)、工作原理，綜述了各個(gè)組成局部目前的研究現(xiàn)狀及開展趨勢。染料敏化太陽能電池的根本結(jié)構(gòu)和工作原理在輻射到地球外表的太陽光中，紫外光占了4％，可見光占了43％。而n型半導(dǎo)體Ti02的帶隙為3．2eV，這決定了其吸收譜位于紫外光波段，對于可見光的吸收比擬弱。為了增加對太陽光的利用率，人們把染料吸附在TiO2外表，借助染料對可見光的敏感效應(yīng)，來增加了整個(gè)染料敏化太陽能電池對太陽光的吸收率。染料敏化太陽能電池是由透明導(dǎo)電玻璃、TiO2多孔納米膜、電解質(zhì)溶液以及鍍鉑鏡對電極構(gòu)成的類似于“三明治”式的結(jié)構(gòu)。其光電轉(zhuǎn)換在幾個(gè)界面完成：(1)染料和Ti02納晶多孔膜組成的界面；(2)染料分子和電解質(zhì)構(gòu)成的界面；(3)電解質(zhì)和對電極構(gòu)成的界面。光電轉(zhuǎn)換機(jī)理如上圖所示，對應(yīng)于各標(biāo)號的物理化學(xué)過程如下：1.太陽光(hu)照射到電池上，基態(tài)染料分子(D)吸收太陽光能量被激發(fā)，染料分子中的電子受激躍遷到激發(fā)態(tài)，染料分子因失去電子變成氧化態(tài)(D*)；2.激發(fā)態(tài)的電子快速注入到Ti02導(dǎo)帶中；3.注入到Ti02導(dǎo)帶中的電子在Ti02膜中的傳輸非常迅速，可以瞬間到達(dá)膜與導(dǎo)電玻璃的接觸面，并在導(dǎo)電基片上富集，通過外電路流向?qū)﹄姌O；4.與此同時(shí)，處于氧化態(tài)的染料分子(D*)，由電解質(zhì)(I一/I3一：Red／Ox)溶液中的電子供體(I一)提供電子而回到基態(tài)，染料分子得以再生；5.電解質(zhì)溶液中的電子供體(I一)在提供電子以后(I一)，擴(kuò)散到對電極，得到電子而復(fù)原。從而，完成一個(gè)光電化學(xué)反響循環(huán)，也使電池各組分都回到初始狀態(tài)。但是實(shí)際的DSSC光伏發(fā)電過程中還存在著一些不可防止的暗反響，這主要包括：1.注入到Ti02導(dǎo)帶中的電子與氧化態(tài)的染料發(fā)生復(fù)合反響；2.注人到TiO2導(dǎo)帶中的電子與電解液中的I，一發(fā)生復(fù)合反響。為了提高DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)盡量防止這些暗反響的發(fā)生。各機(jī)理在一定范圍內(nèi)能解釋某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但并不完善，有待進(jìn)一步研究。染料敏化太陽能電池的研究進(jìn)展3.1陽極材料的研究進(jìn)展通過查閱文獻(xiàn)獲知：納米多孔氧化物半導(dǎo)體薄膜的制備方法、晶體類型、外表形態(tài)、微粒尺寸、孔的大小以及組成等因素對DSSC的性能都有很大影響。由于DSSC的開路電壓取決于半導(dǎo)體氧化物的費(fèi)米能級與電解質(zhì)氧化復(fù)原電對的電勢的相對差值，因此其它寬禁帶半導(dǎo)體氧化物也引起了當(dāng)今科學(xué)家們的注意。而將不同的半導(dǎo)體氧化物復(fù)合，制成具有核一殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極，也取得了一定的效果，例如ZnO／Ti02、ZnO／Sn02、SnO2／ZnO、A120／Ti02等復(fù)合電極(X／Y，X代表殼，Y代表核)。這主要是由于適當(dāng)厚度的殼的形成，抑制了電子的復(fù)合，提高了DSSC的性能。報(bào)道的ZnO／TiOz電極在81．0mW／cm2白光的照射下，取得短路電流密度21．3mA／cm2，開路電壓712mV，總能量轉(zhuǎn)換效率9．8％的效果。此外，關(guān)于電子的傳輸理論以及在多孔膜中的滲透有不同的報(bào)道，像跳躍理論、隧穿效應(yīng)、擴(kuò)散理論等，這都還需要科學(xué)界的進(jìn)一步的驗(yàn)證、研究和完善。薄膜的制備方法主要有刮涂法、溶膠一凝膠法、水熱法、絲網(wǎng)印刷法等，有時(shí)往往多種方法同時(shí)使用。此外在制備薄膜的過程中，對Ti02薄膜電極作一些修飾，可明顯改善DSSC的光電性能，例如通過用TiCl4、HCl、異丙氧醇鈦等處理。染料分子染料是DSSC的核心材料之一，它的主要作用是對太陽光的吸收，并把光電子傳輸?shù)絋i02的導(dǎo)帶上，其性能的優(yōu)劣對DSSC光電轉(zhuǎn)化效率起著決定性的作用。敏化染料一般要符合以下幾個(gè)條件：1.有盡可能寬的波長響應(yīng)范圍和盡可能大的摩爾消光系數(shù)。2．具有羧酸根、膦酸酯等強(qiáng)吸附基團(tuán)，使其能牢固地自組裝在半導(dǎo)體氧化物薄膜的外表。3.激發(fā)態(tài)能級要位于半導(dǎo)體氧化物導(dǎo)帶底的能級之。4.染料的氧化復(fù)原電勢要盡可能地高，這樣染料陽離子才能夠更有效地與電解質(zhì)中的電子給體發(fā)生反響，獲得再生。5.要有足夠的穩(wěn)定性，這樣才能保證DSSC長的使用壽命。無機(jī)染料一般是指金屬有機(jī)絡(luò)合物。其中研究最多的是釕一多吡啶絡(luò)合物。直到今天，以N3、N719和黑染料為敏化劑的電池仍然代表著DSSC的最高效率。近年來，對多吡啶配體進(jìn)行修飾，有效提高了此類染料的消光系數(shù)，并進(jìn)一步提高了電池的穩(wěn)定性。開發(fā)廉價(jià)、高效、穩(wěn)定的有機(jī)染料一直是重要的研究課題。有機(jī)染料有天然與人工之分。天然染料可以直接從植物中提取，來源廣泛，別離提純相對容易，如花青素、香可素及其衍生物等。還可以通過對這些天然染料進(jìn)行修飾來提高其吸光強(qiáng)度和范圍，改善其穩(wěn)定性。3.3電解質(zhì)的研究染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)溶液中的氧化復(fù)原電對一般為I-3/I-，其作用是復(fù)原被氧化的染料。高效率的電解質(zhì)應(yīng)當(dāng)具有與染料HOMO軌道相匹配的氧化復(fù)原能級和快速的空穴傳導(dǎo)能力。目前，最常用、最有效的電解質(zhì)都含有13-／I一電對，主要得益于其優(yōu)異的可逆性和動力學(xué)性能，且復(fù)合反響較慢。電解質(zhì)從表觀形態(tài)上大致可以分為液態(tài)電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電解質(zhì)。液態(tài)電解質(zhì)一般由氧化復(fù)原電對If／I-、溶劑和添加劑組成。由于它粘度小，離子擴(kuò)散快，對TiO2多孔膜的浸潤性好和滲透能力強(qiáng)，使得液態(tài)DSC電池一直保持著最高的效率。人們還設(shè)計(jì)了一些新穎的電解質(zhì)體系，如采用原位制備法獲得了All3電解質(zhì)，應(yīng)用在DSC電池上效率可達(dá)5．9％。該電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是本錢低、制備簡單、性能優(yōu)良和環(huán)境友好。為了提高電池的穩(wěn)定性，人們將新型的綠色溶劑——離子液體引入到DSC電池中代替常規(guī)有機(jī)溶劑。離子液體，幾乎不揮發(fā)，穩(wěn)定性好，對大多數(shù)無機(jī)物、有機(jī)物和聚合物有很強(qiáng)的溶解能力。此外，也可以選擇含I-的離子液體，起到碘源和溶劑的雙重作用。除了離子液體電解質(zhì)，準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電解質(zhì)的研究也越來越受到重視。一般來講，準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)是在液體電解質(zhì)中參加凝膠劑而得到的。這類凝膠電解質(zhì)從宏觀上來看是不流動的固體，但在微觀上仍具有液體的特征，一般都有較高的電導(dǎo)率，從長遠(yuǎn)來看，這種電解質(zhì)依然存在著溶劑流失和效率下降的問題?？偟膩碚f，離子液體電解質(zhì)和凝膠電解質(zhì)是比擬有應(yīng)用前景的固態(tài)電解質(zhì)，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出較高的光電轉(zhuǎn)換效率，電池的穩(wěn)定性也得到一定保障。當(dāng)然，開展高效的全固態(tài)DSSC電池是最終的目標(biāo)。提高效率的關(guān)鍵就是解決電解質(zhì)在光陽極多孔膜中的填充問題。開展同態(tài)一離子液體復(fù)合電解質(zhì)體系也許是一個(gè)更為有效、可行的途徑。陰極對DSSC性能的影響陰極在染料敏化太陽能電池中也發(fā)揮著重要的作用。DSSC在實(shí)際的工作中，由于有電流通過陰極，造成極化現(xiàn)象，形成超電勢，引起電勢的損失，降低了電池的性能。陰極的材料、外表狀態(tài)、電流密度、溫度、電解質(zhì)的性質(zhì)和濃度以及溶液中的雜質(zhì)等都成為影響超電勢的因素。為了盡可能地減少超電勢引起的電勢損失，需要綜合考慮各種因素的影響。陰極的制備一般用導(dǎo)電玻璃片作為基體，采用不同方法鍍上石墨、鉑或?qū)щ娋酆衔锏炔煌牧?，其中鍍鉑的效果較好。鍍鉑可以起到催化劑的作用，有利于電子與I-的反響，能減少超電勢。而關(guān)于鍍鉑的方法也有很多：濺射法、電鍍法、熱分解法等。熱分解法得到的電極，因其有較大的比外表積，形成的鉑原子簇可以很好地起到催化的作用，在電極工作時(shí)可以產(chǎn)生較大的交換電流密度，引起的電勢損失較小并比擬穩(wěn)定，不易受到腐蝕，有望應(yīng)用到未來的DSSC中。4結(jié)束語在當(dāng)今社會，人們對能源的重視度越來越高。礦物燃料的資源逐漸耗盡以及對環(huán)境的影響，促使人們尋找開發(fā)新的能源。占地球總能源99%以上的太陽能，具有取之不盡、沒有污染等特點(diǎn)，成為新能源開發(fā)的重要研究領(lǐng)域。與基于硅材料的固態(tài)太陽能電池相比，染料敏化納米晶太陽能電池具有獨(dú)特的優(yōu)越性。如何進(jìn)一步提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率、開發(fā)高效的固態(tài)電解質(zhì)，以及尋找更好的光敏感染料，都是染料敏化納米晶太陽能電池研究領(lǐng)域里有待解決的問題。參考文獻(xiàn)：FanQD，WuJH，HuangJun,LinJM.Studyonpropertiesofdye-sensit