1、染料敏化納米晶TiO2太陽能電池太陽能電池太陽能電池 原理： 太陽能電池是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產生電流。 分類：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池硅太陽能電池碲化鎘薄膜太陽能電池聚合物多層修飾電極型太陽能電池納米晶太陽能電池塑料太陽能電池有機太陽能電池染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池發展歷程：染料敏化太陽能電池發展歷程： 1960 年代，H.Gerischer，H.Tributsch，Meier及R.Memming發現

2、染料吸附在半導體上并在一定條件下產生電流的現象，成為光電化學電池的重要基礎。 1970年代到90年代，R.Memming，H.Gerischer，Hauffe，H.Tributsh等人大量研究了各種染料敏化劑與半導體納米晶間光敏化作用，研究主要集中在平板電極上，這類電極只有表面吸附單層染料，光電轉換效率小于1%。 1991年，Grätzel M.于Nature上發表了關于染料敏化納米晶體太陽能電池的文章以較低的成本得到了7%的光電轉化效率，開辟了太陽能電池發展史上一個嶄新的時代,為利用太陽能提供了一條新的途徑。 2002年Peng Wang等人用含有1 - m e t h y

3、 l - 3 -propylimidazolium iodide 和 poly (viylidenefloride-cohexafluoropropylene)離子液態聚合物凝膠電解質的準固態染料敏化納米晶太陽能電池，其光電轉換效率可達5.3 % 。 2003年，日本Kohjiro Hara等人報道了一種多烯染料敏化納米太陽能電 池，其光電能量轉換率達6.8 % 。 2009年，中國科學院長春應用化學研究所王鵬課題組研制的電池的效能為9.8%。 2011年，Michael Grtzel等人宣布制成了光電效率為12.3%的電池，這打破了染料電池光電效率的最高紀錄。 2014年，Michael G

4、rtzel課題組再次刷新染料敏化太陽能電池效率，最終達到13%。相關知識相關知識 1） 什么是染料敏化？ 染料敏化是指與寬帶隙半導體的導帶和價帶能量匹配的一些有機染料吸附到半導體表面上，利用有機染料對可見光的強吸收從而將體系的光譜響應延伸到可見區的現象。2） 為什么要對TiO2納米晶進行染料敏化？ 常規硅太陽能電池的主要成分是Si,他的帶隙為1.2eV,在可見光范圍內即可將它激發，在PN結電場作用下產生電流。而銳鈦礦形TiO2的禁帶寬度為3.1eV,吸收位于紫外區，但當表面吸附上敏化染料后，借助于染料對可見光譜良好的響應，可將它的吸收拓展到可見光區。 3） 為什么選用納米晶TiO2多孔半導體薄

5、膜？ TiO2是一種n型半導體材料，有強的氧化性和還原性。在光化學反應中，以TiO2作催化劑，在太陽光，尤其是在紫外線的照射下，使TiO2固體表面生成空穴(h+)和電子(e-)。選用納米多孔的TiO2膜和表面有15%左右粗糙度的導電膜，使的整個半導體膜成海綿狀，有很大內部表面積，能夠吸收更多的燃料單分子層，這樣既克服了原來電池中只能吸收單分子層而吸收少量太陽光的缺點，又能使太陽光在內膜多次反射，太陽光被染料反復吸收，產生更大的光電流，從而大大提高光電轉化率。 4）納米晶多孔TiO2薄膜的制備 采用水熱法合成表面含有官能團的碳球，并將其作為模板劑與納米TiO2粉末均勻混合制備出多孔光陽極。 a)

6、 碳納米球模板的制備： 配制0.5mol/L的葡萄糖水溶液，分別在160/170/180/190/200 攝氏度下在高壓反應釜（填充度80%）中反應4h，溫度降至 室溫后取出產物，分別用蒸餾水和無水乙醇經三次“離心-洗 滌-再分散”洗滌，最后在80攝氏度下干燥烘干。 碳球的SEM圖 a 180 ; b 190 ; c 200 上圖為通過水熱法所制碳球的表面形貌，可看出碳球表面 光滑，球與球之間存在團聚。這正是由于通過水熱法合成的碳 球表面含有大量的羥基和羥基極性官能團所致。采用粒徑分布 計算可得出180 、 190 、 200反應條件下探求的尺寸分 布范圍 為120nm-220nm、170nm

7、-300nm、200nm-350nm，平 均直徑分別為150/220/300nm。 b) 多孔TiO2薄膜的制備： 將190攝氏度水熱合成的碳球和納米TiO2粉末按一定質量比混 合，添加入一定比例的無水乙醇和乙酰丙酮后，混合球磨24h， 繼續添加16ml無水乙醇混合球磨24h,最后加入兩滴曲拉通混合 球磨3h即可得到用于涂抹的TiO2漿料。采用刮涂法在透明導電 玻璃制備多孔薄膜，再經500攝氏度煅燒30min。納米晶TiO2多孔薄膜結構納米晶TiO2薄膜的SEM譜圖 從圖(a)可觀察到薄膜由均勻分布的Ti02晶粒相互連接組成，晶粒之間存在著許多微觀。由圖(b)可知，膜的厚度均勻，厚度為330

8、nm。X射線衍射（XRD）分析表明：經過熱處理的樣品，銳鈦礦相TiO2，納米晶平均粒子尺寸為5.332.4 nm，其薄膜的平均粒子尺寸為6.729.6nm。5） TIO2薄膜的透射光譜TIO2薄膜的透射光譜（C0、C1、C2、C3、C4、C5分別表示碳球/TiO2的質量比分別為0%、1%、2%、3%、4%、5%）TiO2膜透射薄率隨碳球含量變化曲線 上圖表示的是多孔TIO2薄膜的透射光譜。從圖中可以發現，添加模板劑后，薄膜的光透射率有不同程度的降低，并呈現出先增大后減小的變化趨勢。由于薄膜透射率的降低應來自于散射的增強。Raylei公式散射系數的影響因素： 其中，R為散射單元直徑，V為散射單元

9、體積顆粒的百分比，為波長，n為相對折射率，薄膜的孔隙為散射單元，可知薄膜光散射性能主要因素是薄膜的孔徑。 由上述圖可知，碳球的加入有利于TIO2薄膜多孔結構的產生，增大薄膜的孔隙率，這些多孔結構可作為光陽極的散射中心，導致入射光在傳播過程中被大量散射，使光子在薄膜內的路程增長，這有利于提高薄膜對光子的吸收，從而引起透射光強減弱。2222342132nnVRS結構結構原理原理（1）染料分子吸收太陽能光 躍 遷到激發態；（2）激發態不穩定，電子快速注入到緊鄰的TiO2導帶；（3）電子擴散至導電基底，后流入外電路中；（4）處于氧化態的染料被還原態的電解質還原再生；（5）氧化態的電解質在電極接收電子后

10、被還原，從而完成一個循環；（6）（7）分別為注入到TiO2導帶中的電子和氧化態染料的復合及導帶上的電子和氧化態的電解質間的復合。優勢優勢與傳統的太陽電池相比： 壽命長：使用壽命可達15-20年; 結構簡單、易于制造，生產工藝簡單，易于大規模工業化生產; 制備電池耗能較少，能源回收周期短; 生產成本較低，僅為硅太陽能電池的1/51/10，預計每峰瓦的 電池成本在10元以內; 生產過程中無毒無污染。展望展望 利用納米尺度的半導體材料作為太陽能電池的光陽極的研究已成為世界范圍的研究熱點。半導體材料TiO2納米晶多孔膜是很有發展前景的光陽極材料。進一步提高敏化太陽能電池的光電轉換效率主要有以下三個途徑：(1)制備性能優異的TiO2納米晶多孔膜，其納米粒子具有合適的尺寸、形狀、晶體結構、表