染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池

物理科学与技术学院 化学物理学交叉培养班 张玲玲 2011213434

摘要 染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电

池，其主要优势是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。

关键词 染料敏化 太阳能电池 原理 制备

一、染料敏化太阳能电池的基本结构

染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、电极和导电基底等几部分组成。纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化太阳能电池的负极。对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I- 。

图1 染料敏化太阳能电池的基本结构

二、染料敏化太阳能电池的工作原理

当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。而由于染料的氧化还原

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电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。

图2 染料敏化太阳能电池的工作原理示意图 2.1纳米晶多孔薄膜

作为太阳能电池半导体材料，首要条件为光照下性能稳定。考虑到只有禁带宽度Eg﹥ 3eV 的宽带隙半导体才满足这一条件，因此可以用作DSC 半导体材料的禁带宽度必须大于3eV。TiO2禁带宽度为3. 2eV，是性能最优、使用最广泛的DSC半导体电极材料。所有的太阳能电池都是依靠光电效应将光能转化为电能． 半导体的截止波长由下式计算:

?g?1240 Eg式中: Eg为半导体禁带宽度，λg为半导体的截止吸收波长． 则禁带宽度为3eV 半导体材料截止波长为413 nm，而太阳光主要分布在可见光区域，而可见光光谱范围为390 ～770 nm，因此基本不能被吸收． 为了使宽带隙半导体材料能够吸收可见光，必须通过某种方法将截止波长红移至红外区． 吸附于半导体表面的染料可以使半导体的吸收边强烈红移。

2.2染料分子

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染料分子是一类金属钌配合物，其激发是典型的金属到配体的电荷转移过程。 也就是说，染料分子最高已占轨道( HOMO) 在金属Ru 附近，最低未占轨道( LOMO) 位于吡啶环和羧基附近。激发时，电子从HOMO 跃迁到LOMO，由于羧基和TiO2纳米晶粒子结合在一起，染料分子和半导体表面距离非常近，LOMO 电子波函数与TiO2部分重合，因此电子能够迅速注入半导体。

2.3DSC 中光生载流子的产生与传输

虽然DSC 与p － n 结电池电子空穴对产生机理相同，即都是由光照下电子从禁带跃迁到导带而产生的，但是对于电荷的分离及传输两者是截然不同的。硅太阳能电池核心结构为p － n 结，电子与空穴通过在p － n 结空间电荷层内建电场实现电荷分离与传输。对于DSC，染料只产生电子空穴对，半导体只负责传输电子，电荷产生和传输是相互分离的。

2.4电荷分离

处于激发态的染料分子不稳定，容易发射电子而形成氧化态S + ，发射的电子被注入半导体中扩散，这也要求半导体为N 型材料。S + 停留在半导体表面，通过与电解质中氧化还原对作用实现正电荷(空穴) 的传输。也就是说，空穴并没有进入半导体，而是通过电解质传输。电子注入半导体主要决定于染料分子的能带结构与TiO2导带位置。具体地说，染料分子能带位置必须满足两个条件，才能完成电子循环：

a． 染料激发态位置( LOMO) 必须高于TiO2导带位置，以保证电子能迅速注入半导体。

b． 染料基态位置( HOMO) 必须低于电解质中氧化还原对( I3 － /I － ) 化学势，保证氧化态染料能被电解质还原。

2.5电荷的传输和电解质中的离子传输

由于纳米晶多孔薄膜由紧密相连的纳米晶颗粒堆积排列而成，电子在纳米晶颗粒间跳跃扩散。同时考虑电子的集体效应，由于贴近染料分子一侧有大量电子从染料注入，靠近导电基底一侧电子不断流向外电路，因此薄膜内部电子浓度出现梯度差，有利于电子向导电基底一侧扩散。电子的扩散快慢程度用扩散系数来表征． 扩散系数与半导体中由缺陷而引起的势阱有关。

电子在纳米晶薄膜传输的同时，空穴( 正电荷) 以I3 － 形式从纳米晶薄膜

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表面一侧向对电极传输。电荷在电池中的传输机理是一个非常关键的问题，关系到如何选择优化半导体材料、如何减弱电子复合、如何设计染料分子结构等等。 2.6电子复合效应

在p － n 结电池结构中，电子在半导体材料中传输，遇到缺陷电子很容易被束缚，因此对半导体材料的晶化程度以及纯度都有相当高的要求。但在DSC 中，纳米晶粒子间存在大量缺陷和晶界，但是这毫不影响电池性能。主要是因为电子在半导体薄膜中传输，而空穴在电解质中传输，因此复合效应只能发生在半导体－电解质界面。

三、染料敏化太阳能电池电解质的研究进展

在染料敏化太阳能电池中, 电解质起到传输电子和空穴的作用, 其中的氧化还原电对、有机溶剂、添加剂以及金属离子的种类都对电池的性能有重要的影响。理想的氧化还原电对要满足: 在阴极应该具有快速的电子传输动力, 较快地与电子发生氧化还原反应, 以减少电子在阴极的积累; 而在阳极又要表现出较慢的电子传输动力, 以减少激发到半导体导带中的光电子与电解质中的电子受体或染料的氧化态反应 。目前的DSSC中, 应用的有液态电解质、准固态电解质、固态电解质等。

3.1液态电解质

广泛应用的电解质溶液液中氧化还原电对一般为I3?/I? ， 有机溶剂主要有腈类或碳酸酯类， 添加剂一般为42叔丁基吡啶或N2甲基苯并咪唑 。由于I3?/I? 电对的电势与N3 染料基态的能级相比，具有0. 6eV 的相对差值, 引起的电势损失较大。尽管液体电解质取得了较高的光电转换效率,，但有机溶剂易挥发、密封困难， 影响到DSSC 使用寿命。而室温下的离子液体具有一系列的优点,，诸如好的热稳定性及宽的电化学窗口、不易燃性、高的离子传导性、很小的蒸汽压力、毒性小等。在DSSC 中用离子液体代替液态电解质有利于提高寿命和稳定性，具有广阔的前景。但离子液体的粘度系数相对较大，影响离子的扩散速率，导致DSSC 的光电转换效率不高,这也是今后努力的方向。

3.2准固态电解质

考虑到液体电解质的不足, 而它与胶凝剂结合后形成的准固态电解质可有

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