染料敏化太阳能电池的发展综述.doc

染料敏化太阳能电池的发展综述 王若瑜 （北京 清华大学 化学系 100084）  【摘要】由于染料敏化太阳能电池具有优良的稳定性和高转换效率，它具有极大的应用前景。本文就染料敏化太阳能电池的原理、各电池组成结构的优化等，对国内外学者的研究工作做以综述评论。 【关键词】太阳能 染料 敏化 电极 TiO2薄膜 1，前言 在能源危机日益加深的今天，由于化石能源的不可再生；氢能利用中的储氢材料问题依然没有解决；风能、核能利用难以大面积推广；太阳能作为另一种可再生清洁能源足以引起人们的重视。利用太阳能，已经是各相关学科一个很重要的方向。 1991年之前，人们对太阳能的利用停留在利用半导体硅材料太阳能电池【1】上，这种太阳能电池虽然已经达到了超过15%的转化效率，但是它的光电转化机理要求材料达到高纯度且无晶体缺陷，再加之硅的生产价格居高，这种电池在生产应用上遇到了阻力。 1991年，瑞士的Gr tzel教授小组做出了染料敏化太阳能电池【2】，他们的电池基于光合作用原理，以羧酸联吡啶钌配合物为敏化染料，以二氧化钛纳米薄膜为电极，利用二氧化钛材料的宽禁带特点，使得吸收太阳光激发电子的区域和传递电荷的区域分开，从而得到了7.1%的高光电转换效率【3】，这种电池目前达到最高的转换效率是10.4%【6】。由于这种电池工艺简单，成本低廉（约为硅电池的1/5~1/10）【4】，并且可选用柔质基材而使得应用范围更广，最重要的是，它具备稳定的性质，有高光电转换效率，这无疑给太阳能电池的发展带来了巨大的变革【9】。 正因为染料敏化电池的上述优点，许多学者就它的机理、各个组成部分的优化等相关内容作了一系列实验，这篇论文将就这些方面做以综述简介，并加以分析和评论。 2，染料敏化太阳能电池工作原理 2.1染料敏化太阳能电池的选材 TiO2材料具备稳定的性质，且廉价易得，是理想的工业材料。由于它的禁带宽度是3.2eV ，超过了可见光的能量范围（1.71eV~3.1eV），所以需要用光敏材料对其进行修饰。其中的染料敏化剂指多由钌（Ru）和锇（Os）等过渡金属与多联吡啶形成的配合物；实验证明，只有吸附在TiO2表面的单层染料分子才有有效的敏化作用【3】，所以人们往往采用多孔纳米TiO2薄膜，利用其大的比表面积吸附更多染料分子，利用太阳光在粗糙表面内的多次反射从而被染料分子反复吸收提高电池效率；电解质随染料的不同而有不同的选择，总的来说，以含I-/I3 -离子对的固态或液态电解质为主。 由于电解质状态的不同，染料敏化太阳能电池分为液相电解质的湿化学太阳能电池和固相电解质的固态太阳能电池。 2.2湿化学染料敏化太阳能电池结构及原理【1】【4】 当能量低于二氧化钛禁带宽度且满足染料分子激发所需能量的入射光照射到电极上时，基态染料分子被激发： D+hμ→D* （染料激发） 被激发的电子注入二氧化钛导电层，被收集到导电基片,再通过外电路流向对电极，形成电流。而已经被氧化的染料分子在电解液中被还原： D* → D+ + e- → Ecb （光电流产生） D+ + X- → D +X （染料还原） X + e- → X （电解质还原） 整个过程完成了光电循环，个反应物状态不变，光能转换为电能。但是由于电解液采用液态，不利于电池性能的稳定。且过程中有： 氧化态染料+ e - (TiO2 导带) → 基态染料(电子复合) 氧化态电解质+ e - (TiO2 导带) →还原态电解质(暗电流) 电子复合不利于转换效率的提高，暗电流则会造成电流损失【5】。 2.3固态染料敏化太阳能电池结构及原理【2】 固态光电池用空穴传输材料代替了液态光电池中的液态电解质，其余二者差别不大。原理也类似：首先电子收到特定能量的入射光激发而跃迁，激发态的电子注入二氧化钛导带，同时染料被氧化。二氧化钛导带中的电子通过外电路流向对电极，形成电流。与液态电池的区别在于，氧化态的染料分子通过将其空穴注入空穴传输材料而自身得到还原。 其光电转换式如下： D + hv →D*(染料激发) D*→D+ + e - →Ecb D+ →D + h +（空穴）→价带(空穴传输材料) 电池的开路电压取决于二氧化钛的费米能级和空穴传输材料的HOMO 能级之差。 3，电池优化的讨论 3.1二氧化钛薄膜 3.1.1二氧化钛薄膜的制备 纳米二氧化钛薄膜的制备方法包括溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法、丝网印刷法等【7】。 Ladislav Kavan小组【2】采用TiCl3 的阳极氧化水解法制备TiO2 薄膜. 以15%TiCl3 水溶液和10%HCl做电解液（混入少量的Zn, 控制钛处于三价）, “阳极为导电氧化物电极. 阴极为Pt电极,电解液的PH值为2～3,以饱和甘汞电极(SCE)