染料敏化太陽能電池

1據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，瑞士材料科技聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室（Empa）一個研究小組開發(fā)出一種新的薄膜太陽能電池，以CIGS（銅銦鎵硒）為光電轉(zhuǎn)換材料，用柔軟靈活的高分子聚合物作襯底，其光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到20.4%。而此前的世界紀(jì)錄是該研究小組在2011年5月實(shí)現(xiàn)的18.7%。

北極星太陽能光伏網(wǎng)：Solar3D公司開發(fā)了三維太陽能電池技術(shù)。2011年，該公司宣布，其最新設(shè)計的三維硅太陽能電池轉(zhuǎn)化率超過25%。2013年由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(MichaelGratzel)的研究小組、英國牛津大學(xué)和日本桐蔭橫濱大學(xué)的研究小組，分別獨(dú)立開發(fā)出了轉(zhuǎn)換效率超過15％的固體型染料敏化太陽能電池。2013年1月威鋒網(wǎng)報道：英國倫敦帝國理工學(xué)院和麥克林公司向人們展示了他們合作研究的項目，項目顯示他們設(shè)計的光面板可以將太陽能轉(zhuǎn)換率突破

50%

。新技術(shù)基于多接面面板技術(shù)，采用了一種被稱為“

InAlAsSb

四元合金”作為吸收高頻率光波的材質(zhì)。2染料敏化太陽能電池（DSSC）DSSC的技術(shù)指標(biāo)DSSC發(fā)展簡介31提高DSSC光電效率的研究3334DSSC的組成及工作原理313DSSC發(fā)展簡介

目前，DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在13％以上，壽命能達(dá)15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10。低成本是DSSC的突出優(yōu)勢。

1991年※，Gr?tzelM.于《Nature》上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽能電池（Dye-SensitizedSolarCells，簡稱DSSC）的文章，以較低的成本得到了>7%的光電轉(zhuǎn)化效率，為利用太陽能提供了一條新的途徑。

1997年，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了10%~11%，短路電流達(dá)到18mA/cm2,開路電壓達(dá)到720mV；

1998年，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料替代液體電解質(zhì)的全固態(tài)Gr?tzel

電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到33%，從而引起了全世界的關(guān)注。4其他優(yōu)勢生產(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；制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣；在各種光照條件下使用；光的利用效率高；對光陰影不敏感……5DSSC的組成陽極：染料敏化半導(dǎo)體薄膜陰極：鍍鉑的導(dǎo)電玻璃電解質(zhì)：I3-/I-

TiO2膜:5~20um導(dǎo)電玻璃6葉綠體的結(jié)構(gòu)納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于葉綠體的內(nèi)囊體，起著支撐敏化劑染料分子、增加吸收太陽光的面積和傳遞電子的作用。敏化劑染料分子相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素，起著吸收太陽光光子的作用。DSSC和植物的光合作用7染料敏化太陽能電池工作原理圖8

(1)染料受光激發(fā)由基態(tài)（S）躍遷到激發(fā)態(tài)（S*）：

(2)激發(fā)態(tài)染料分子(S*)將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(cb)上：

(4)導(dǎo)帶電子與氧化態(tài)染料的復(fù)合：

(6)導(dǎo)帶電子與I3-離子的復(fù)合：

(5)導(dǎo)帶電子在納米薄膜中傳輸?shù)胶蠼佑|面（用BC表示）后，流入到外電路中：

(7)I3-離子擴(kuò)散到對電極上得到電子變成I-：

(3)I-還原氧化態(tài)染料而使染料再生完成整個循環(huán)：

9太陽電池受載特性曲線（1）短路電流（Isc)：當(dāng)太陽電池的輸出端短路時（V=0)。與入射光強(qiáng)度成正比。（2）開路電壓（Voc)

：當(dāng)太陽電池的輸出端開路時（I=0).（3）填充因子：接上負(fù)載R時，所得的負(fù)載I-V曲線如圖。當(dāng)負(fù)載Rm使功率輸出為最大時，對應(yīng)的最大功率Im、Vm：最佳工作電流和最佳工作電壓。填充因子FF愈大則輸出功率愈高；FF取決于入射光強(qiáng)、材料的禁帶寬度、串聯(lián)和并聯(lián)電阻等DSSC的評價技術(shù)指標(biāo)10（4）太陽電池轉(zhuǎn)換效率（）：最大輸出功率與照射到太陽電池的總輻射能（Pin）之比。首要的關(guān)鍵指標(biāo)：決定著電池的成本、質(zhì)量、材料消耗、輔助設(shè)施等許多因素11提高DSSC光電效率及降低成本的研究光陽極材料染料電解液對電極材料121電解質(zhì)體系作用：

（1）復(fù)原染料，傳輸電荷（2）引起半導(dǎo)體、染料和氧化還原對能級的改變，導(dǎo)致體系動力學(xué)特性變化，從而對光電壓和轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生很大影響。

13DSSC的電解質(zhì)按物理狀態(tài)分為液態(tài)電解質(zhì)、準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)。

關(guān)鍵：氧化還原電對（1）快速與陰極電子反應(yīng)，減少電子在陰極的積累；（2）對陽極光電子反應(yīng)活性低，減少暗反應(yīng)；（3）氧化還原電勢與染料能級匹配，能迅速還原氧化態(tài)染料，減少注入電子與之的反向復(fù)合142氧化物半導(dǎo)體薄膜（1）TiO2納米晶（用的最多、效率最高）

優(yōu)點(diǎn)：含量豐富、價格便宜、無毒、穩(wěn)定、抗腐蝕性好一般采用銳鈦型TiO2。

易實(shí)現(xiàn)對TiO2晶型和粒徑的有效控制多孔薄膜制備法：浸漬法、旋轉(zhuǎn)法、絲網(wǎng)印刷法、濺射法、高溫溶膠噴射沉積等粉體制備方法：溶膠-凝膠法、TiCl4水解法、電化學(xué)法等

15效率的影響因素很多：形貌、表面改性、離子摻雜等：主要是影響染料吸附量、能帶匹配度、電子傳輸速度等16M.Gr?tzel,Naure2001,414,338-344.grainsizeintherangeof10–80nm.形貌的影響17ZnO一維結(jié)構(gòu)(a–d)siliconsubstrate(e–h)substrateD.-I.Suhetal.ChemicalPhysicsLetters442(2007)348–35318吸收盡可能多的太陽光；緊密吸附在納米晶網(wǎng)絡(luò)電極表面；與相應(yīng)的納米晶的能帶相匹配；激發(fā)態(tài)壽命足夠長，具有長期的穩(wěn)定性……3.敏化劑19性能優(yōu)的敏化劑：釕的多吡啶配合物（*較強(qiáng)的可見光吸收、良好的光電化學(xué)性能、激發(fā)態(tài)穩(wěn)定）20吡咯并吡咯二酮顏料21最新進(jìn)展

鈣鈦礦基的有機(jī)無機(jī)混合結(jié)晶材料CH3NH3PbI3作為敏化材料首次實(shí)現(xiàn)了可與結(jié)晶硅型太陽能電池相匹敵的轉(zhuǎn)換效率2215.36%23這種結(jié)構(gòu)的DSSC的前身是日本桐蔭橫濱大學(xué)教授宮坂力的研究小組于2009年4月提出的太陽能電池。當(dāng)時，很多人嘗試采用無機(jī)半導(dǎo)體微粒——量子點(diǎn)作為敏化材料，制造“量子點(diǎn)增感型太陽能電池”。宮坂指出“量子點(diǎn)效率低，并且存在電流反向流動等許多課題”。因此，將目光轉(zhuǎn)向了CH3NH3PbI3。CH3NH3PbI3不僅能高效吸收從可見光到波長800nm的廣譜光，還具有能在TiO2等多孔質(zhì)材料上直接化學(xué)合成的特點(diǎn)。非常適合涂布工藝。

不過，宮坂等人在2009年試制時，采用了傳統(tǒng)的DSSC電解液，轉(zhuǎn)換效率只有3.8％。24

2012年牛津大學(xué)研究人員，用固體型DSSC的HTM的“螺二芴化合物”取代了液態(tài)電解液，結(jié)果轉(zhuǎn)換效率首