1、納米TiO2染料敏化太陽能電池研究進(jìn)展姓名 學(xué)號 學(xué)院： 班級：摘要：介紹染料敏化納米晶tio2太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其原理，對影響其光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，介紹一種染料敏化tio2太陽能電池的手工制作方法，納米tio2染料敏化太陽能電池的發(fā)展方向。關(guān)鍵字：tio2；太陽能電池；染料敏化，納米薄膜。1、引言當(dāng)今世界能源危機(jī)越來越突出了，成為人類在21世紀(jì)面臨的倆大挑戰(zhàn)之一。開發(fā)和尋找一種可再生的綠色能源顯得異常重要，尤其是隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，化學(xué)能源的消耗必須得到一定的控制，這就極大的阻礙了全球的發(fā)展。而太陽能這一巨大的能源就備受各國科學(xué)家青睞。如今各個國家都投入大量的精力來發(fā)展太陽能電池，而

2、作為一種新型的科學(xué)技術(shù)納米材料自然而然的被運(yùn)用到研究太陽能電池上來，這就有了納米tio2染料敏化太陽能電池。Tio2染料敏化電池（Dye-sensitized Solar Cell,簡稱DSSC ）徹底拋棄擯棄了傳統(tǒng)的硅電池工藝，其最大優(yōu)勢是廉價的成本以及非常簡單的制作工藝，應(yīng)持有了很好的應(yīng)用前景，其制備與應(yīng)用研究受到各國學(xué)術(shù)界的重視，并成為化學(xué)和材料科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。2染料敏化納米晶TiO2太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其原理2. ·1染料敏化電池的基本結(jié)構(gòu)主要由納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底等幾部分組成。納米多孔半導(dǎo)體薄膜通常為金屬氧化物（TiO2、SnO

3、2ZnO 等），聚集在有透明導(dǎo)電膜的玻璃板上作為DSC 的負(fù)極。對電極作為還原催化劑，通常在帶有透明導(dǎo)電膜的玻璃上鍍上鉑。敏化染料吸附在納米多孔二氧化鈦膜面上。正負(fù)極間填充的是含有氧化還原電對的電解質(zhì)，最常用的是I3/I- 2·2染料敏化電池的原理染料敏化太陽能電池具有類似三明治的結(jié)構(gòu)，將納米二氧化鈦燒結(jié)在導(dǎo)電玻璃上，再將光敏染料鑲嵌在多孔納米二氧化鈦表面形成工作電極，在工作電極和對電極（通常為擔(dān)載了催化量鉑或者碳的導(dǎo)電玻璃）之間是含有氧化還原物質(zhì)對(常用I 2和I - 的液體電解質(zhì)，它浸入納米二氧化鈦的孔穴與光敏染料接觸。在入射光的照射下，鑲嵌在納米二氧化鈦表面的光敏染料吸收光子，

4、躍遷到激發(fā)態(tài)，然后向二氧化鈦的導(dǎo)帶注入電子，染料成為氧化態(tài)的正離子，電子通過外電路形成電流到對電極，染料正離子接受電解質(zhì)溶液中還原劑的電子，還原為最初染料，而電解質(zhì)中的氧化劑擴(kuò)散到對電極得到電子而使還原劑得到再生，形成一個完整的循環(huán)，在整個過程中，表觀上化學(xué)物質(zhì)沒有發(fā)生變化，而光能轉(zhuǎn)化成了電能。與光合作用中心葉綠體結(jié)構(gòu)相比，染料敏化太陽能電池具有類似的結(jié)構(gòu)。它的納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于葉綠體中的類囊體，起著支撐染料敏化劑分子、增加吸收太陽光的面積和傳遞電子的作用；染料敏化劑分子則相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素，起著吸收太陽光光子的作用。和光合作用一樣，基于納米晶電極的太陽能電池構(gòu)成了由太陽光驅(qū)動的分

5、子電子泵。模擬植物光合作用原理制造太陽能電池一直是人類的一個夢想，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，這一夢想越來越接近于實現(xiàn)并造福人類社會。3對影響其光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素3·1TiO2納米多孔膜TiO2納米多孔膜具有孔隙率高、比表面積大的優(yōu)點，他是整個太陽能電池的關(guān)鍵，其性能的好壞直接關(guān)系到太陽能電池的效率。TiO2晶粒大小、形狀、相組成或表面修飾以及其他成分的摻雜對其性質(zhì)和功能有顯著影響。制備具有高比較面積和優(yōu)良電子傳輸性能的納米半導(dǎo)體材料，是保證電池獲得較大電流密度和較高光電轉(zhuǎn)化效率的前提3·2染料敏化劑Tio2薄膜屬于寬禁帶半導(dǎo)體，只能吸收387mm 以下的光，不能吸收太陽中占大

6、部分的可見光，捕獲太陽光的能力非常差。采用染料敏化劑方法制備的光電化學(xué)太陽能電池，不但可以克服半導(dǎo)體本身只吸收紫外光的缺點，使得電池對可見光譜的吸收大大增加，并且可通過改變?nèi)玖系姆N類得到理想的光電化學(xué)太陽能電池。染料催化劑的作用就是吸收可見光，將電子注入半導(dǎo)體，并從電解質(zhì)中接受電子，重新還原，整個過程不斷循環(huán)。3·3電解質(zhì)Dscs 電池中點解質(zhì)的主要作用就是在光電極與對電極之間運(yùn)載電荷，并使氧化鈦染料還原而重生。目前用于Dscs 的電解質(zhì)有兩大類：液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)。液態(tài)電解質(zhì)常選用的氧化還原對為I3-/I-.由于液態(tài)電解質(zhì)擴(kuò)散速率快，組成成分易調(diào)節(jié)，對納米多孔膜的滲透性好，因而

7、利用液態(tài)電解質(zhì)得到了效率最高的Dscs 電池，其轉(zhuǎn)換率為11·04%。但它存在容易導(dǎo)致吸附在薄膜上的染料解吸，影響電池的穩(wěn)定性密封工藝復(fù)雜；電解質(zhì)本身不穩(wěn)定，易發(fā)生化學(xué)變化，從而導(dǎo)致太陽能電池的失敗。而固態(tài)電解質(zhì)就能解決這類問題。目前典型的固態(tài)電解質(zhì)有：P 型半導(dǎo)體材料、空穴傳輸有機(jī)分子材料及固體復(fù)合電解質(zhì)。4、一種染料敏化tio2太陽能電池的手工制作方法1. 制作二氧化鈦膜(1先把二氧化鈦粉末放入研缽中與粘合劑進(jìn)行研磨(2接著用玻璃棒緩慢地在導(dǎo)電玻璃上進(jìn)行涂膜(3把二氧化鈦膜放入酒精燈下燒結(jié)1015分鐘，然后冷卻2. 利用天然染料為二氧化鈦著色如圖所示，把新鮮的或冰凍的黑梅、山梅、

8、石榴籽或紅茶，加一湯匙的水并進(jìn)行擠壓，然后把二氧化鈦膜放進(jìn)去進(jìn)行著色，大約需要5分鐘，直到膜層變成深紫色，如果膜層兩面著色的不均勻，可以再放進(jìn)去浸泡5分鐘，然后用乙醇沖洗，并用柔軟的紙輕輕地擦干。由染料著色的TiO2為電子流出的一極（即負(fù)極）。正電極可由導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面（涂有導(dǎo)電的SnO2膜層）構(gòu)成，利用一個簡單的萬用表就可以判斷玻璃的那一面是可以導(dǎo)電的，利用手指也可以做出判斷，導(dǎo)電面較為粗糙。如圖所示，把非導(dǎo)電面標(biāo)上+，然后用鉛筆在導(dǎo)電面上均勻地涂上一層石墨。4. 加入電解質(zhì)利用含碘離子的溶液作為太陽能電池的電解質(zhì)，它主要用于還原和再生染料。如圖所示，在二氧化鈦膜表面上滴加一到兩滴電解質(zhì)即可

9、。5. 組裝電池把著色后的二氧化鈦膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到兩滴含碘和碘離子的電解質(zhì)，然后把正電極的導(dǎo)電面朝下壓在二氧化鈦膜上。把兩片玻璃稍微錯開，用兩個夾子把電池夾住，兩片玻璃暴露在外面的部分用以連接導(dǎo)線。這樣，你的太陽能電池就做成了。6. 電池的測試在室外太陽光下，檢測你的太陽能電池是否可以產(chǎn)生電流。5、納米TiO2染料敏化太陽能電池的發(fā)展方向。DSSC 與傳統(tǒng)的太陽電池相比有以下一些優(yōu)勢：壽命長：使用壽命可達(dá)15-20年；結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；制備電池耗能較少，能源回收周期短；生產(chǎn)成本較低，僅為硅太陽能電池的1/51/10，預(yù)計每蜂瓦的電池的成本在

10、10元以內(nèi)。 生產(chǎn)過程中無毒無污染；經(jīng)過短短十幾年時間，染料敏化太陽電池研究在染料、電極、電解質(zhì)等各方面取得了很大進(jìn)展。同時在高效率、穩(wěn)定性、耐久性、等方面還有很大的發(fā)展空間。但真正使之走向產(chǎn)業(yè)化，服務(wù)于人類，還需要全世界各國科研工作者的共同努力。這一新型太陽電池有著比硅電池更為廣泛的用途：如可用塑料或金屬薄板使之輕量化，薄膜化；可使用各種色彩鮮艷的染料使之多彩化；另外，還可設(shè)計成各種形狀的太陽能電池使之多樣化。總之染料敏化納米晶太陽能電池有著十廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，是具有相當(dāng)廣泛應(yīng)用前景的新型太陽電池。相信在不久的將來，染料敏化太陽電池將會走進(jìn)我們的生活。參考文獻(xiàn)1、孔反太，戴松元，王孔嘉，染料

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