【正文】 第五章 有機(jī)太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池歸類及效率 Sorts of Solar Cell Materials Cell (η%) module (η%) 硅 結(jié)晶硅 單晶硅 (晶圓 ) 15~23% 14~18% 多晶硅 (晶圓、薄膜 ) 12~17% 10~16% 非晶硅 ASi,aSiC, aSiGe 8~13% 6~9% 半導(dǎo)體 化合物 IIIV族 GaAs(晶圓、薄膜 ) 18~35% IIVI族 CdS,CdTe 10~14% 多元化合物 CuInSe2 12~16% 有機(jī)化合物 染料敏化型 nMO(TiO2)/Dye/電 解 質(zhì) ~12% 4~8% 有機(jī) D/A型 高分子 /小分子 /納米粉體 ~% 太陽(yáng)能電池應(yīng)用 技術(shù)歸類 基本特性 應(yīng)用領(lǐng)域 IIIV族 超高效率 ,超高 穩(wěn)定 度 但成本 極 高 太空 應(yīng)用 單晶硅 、 多晶硅 高效率 ,高穩(wěn)定度 , 具成本競(jìng)爭(zhēng)力 發(fā) 電應(yīng)用 (取代 傳統(tǒng)發(fā)電 ) ， 電力供 應(yīng) 源 有機(jī)化合物 效率及穩(wěn)定度依產(chǎn)品訂定 ,極具成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) 民生產(chǎn)品應(yīng)用 行動(dòng)生活應(yīng)用 以有機(jī)分子作為光作用材料的太陽(yáng)能電池主要可區(qū)分為四大類： (1)染料敏化太陽(yáng)能電池 (dyesensitized solar cell, DSSC)； (2)全有機(jī)半導(dǎo)體材質(zhì) 的 太陽(yáng)能電池； (3)高分子摻混碳六十及其衍生物 的 太陽(yáng)能電池； (4) 高分子摻混無(wú)機(jī) 納米 粒子 的 太陽(yáng)能電池 全稱： 染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池 ，是近年發(fā)展起來(lái)的一種太陽(yáng)能電池，是由瑞士的 Graktzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次提出的，是基于自然界中的光合作用原理 而發(fā)明的．這種電池以廉價(jià)的 TiO2 納米多孔膜作為半導(dǎo)體電極 ? ，以 Ru及 Os等有機(jī)金屬化合物作為光敏化染料，選用適當(dāng)?shù)难趸贿€原電解質(zhì)做介質(zhì)，組裝成染料敏化 TiO 2納米晶太陽(yáng)能電池 (簡(jiǎn)稱DSSC電池 )． ?DSSC 電池簡(jiǎn)介 ?1991年 ，瑞士 Gr228。tzel M. 以較低的成本得到了 7%的光電轉(zhuǎn)化效率。 ?1998年 ，采用固體有機(jī)空穴傳輸材料的全固態(tài) DSSCs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。 ?目前 ， DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在 10％ 以上，壽命能達(dá) 15～ 20年，且其制造成本僅為硅太陽(yáng)能電池的1/5～ 1/10。 ?DSSC 電池簡(jiǎn)介 1998,Sommeling et al 1998,M,Gratzel,Blackdye,%() 2022, et al % () 2022, et al,%() 2022, 1993,M,Gratzel,N719dye,%() 2022,M,Gratzel,%() 1976,et al,ZnO,%(at 563nm) 1991,N3dye,%() , CuI,%(simulated sunlight) 2022, % () 1993,Reddye,%() 圖 TiO2染料敏化太陽(yáng)電池發(fā)展簡(jiǎn)況 ?DSSC 電池簡(jiǎn)介 ? 從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講： 若批量生產(chǎn) ， 電池的成本在 5— 10元 /(峰瓦 )左右 [3]， 而普通的硅電池在 2040元 /(峰瓦 )， 因而染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池電池非常適合批量生產(chǎn) ， 滿足城市居民以及廣大農(nóng)村的需要 ， 特別是對(duì)我國(guó)近七千萬(wàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)人口的用電具有實(shí)際的意義 。 染料敏化太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)： ?DSSC 電池簡(jiǎn)介 ? 戰(zhàn)略角度來(lái)講 我國(guó)是一個(gè)能源的消耗大國(guó) ， 特別是電力的短缺嚴(yán)重影響我國(guó)的經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展 。 但是無(wú)論是核電還是火電所需要的燃料都是非常有限的 ， 發(fā)電的同時(shí)也給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染 。 因此我國(guó)尤其應(yīng)當(dāng)注重太陽(yáng)能這種 可再生綠色能源 的開(kāi)發(fā)與利用 。 為經(jīng)濟(jì) 、 環(huán)境 、 社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。 染料敏化太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)： ?DSSC 電池簡(jiǎn)介 從實(shí)用性角度來(lái)講： 從染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)可以看出 ， 電池是由雙塊透明導(dǎo)電玻璃及有一定顏色的染料和電解質(zhì)構(gòu)成 ， 而整個(gè)電池是透明的 ， 且?guī)б欢伾?， 所以可以通過(guò)適當(dāng)選擇染料和電解質(zhì)的顏色及 TiO2膜的厚度來(lái)控制整個(gè)電池的透光率 ， 這樣可以把電池用作窗戶玻璃 ， 即透光又可當(dāng)電池用 。 染料敏化太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)： ?DSSC 電池簡(jiǎn)介 染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池電池主要由以下幾部分組成： 透明導(dǎo)電玻璃、納米多孔 TiO2膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)和反電極 ?DSSC 電池結(jié)構(gòu) 陽(yáng)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,1~4mg/cm2 導(dǎo)電玻璃： 8~10Ω /□ ?DSSC 電池結(jié)構(gòu) 導(dǎo) 電 玻 璃 二 氧 化 鈦 染 料 電 解 液 碳 電 極 導(dǎo) 電 玻 璃 ?DSSC 電池原理 ?DSSC 電池原理 電子注入 染料 電解液 TiO2（ 20納米左右） 光 ?DSSC 電池原理 導(dǎo)電基底材料 ?DSSC 電池結(jié)構(gòu)和組成 導(dǎo)電基底材料又稱為導(dǎo)電電極材料 ,分為光陽(yáng)極材料和光陰極材料 ( 或稱反電極 ). 目前作為導(dǎo)電基底材料的有透明導(dǎo)電玻璃、金屬箔片、聚合物導(dǎo)電基底材料等。 要求導(dǎo)電基底材料的方塊電阻越小越好；光陽(yáng)極和光陰極基底中至少要有一種是透明的，透光率一般要在 85%以上。 用于制備光陽(yáng)極和光陰極襯底的作用是收集和傳輸從光陽(yáng)極傳輸過(guò)來(lái)的電子，并通過(guò)外回路傳輸?shù)焦怅帢O并將電子提供給電解質(zhì)中的電子受體。 導(dǎo)電基底材料 ?DSSC 電池結(jié)構(gòu)和組成 導(dǎo)電基底材料主要是透明導(dǎo)電玻璃，是在厚度為 13mm的普通玻璃表面鍍上導(dǎo)電膜制成的。 主要成份是摻 F的透明 SnO2膜（ FTO），在 SnO2和玻璃之間有一層幾個(gè)納米厚度的純 SiO2膜，目的是防止高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中普通玻璃中 Na+ 和 K+等離子擴(kuò)散到 SnO2導(dǎo)電膜中。 ITO也可作為該電池的導(dǎo)電襯底材料。 半導(dǎo)體薄膜主要是納米 TiO2多孔薄膜。它是染料敏化太陽(yáng)電池的核心之一，作用是吸附染料光敏化劑，并將激發(fā)態(tài)染料注入到電子傳輸?shù)綄?dǎo)電基底。 主要有 TiO2， ZnO， Nb2O5， WO3， Ta2O5， CdS， Fe2O3和SnO2等。 ?DSSC 電池結(jié)構(gòu)和組成 TiO2光電陰極 納米半導(dǎo)體薄膜的特征 : ?具有大的比表面積，使其能夠有效地吸附單分子層染料，更好地利用太陽(yáng)光； ?納米顆粒和導(dǎo)電基底以及納米半導(dǎo)體顆粒之間應(yīng)有很好的電學(xué)接觸，使載流子在其中能有效地傳輸，保證大面積薄膜的導(dǎo)電性； ?電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)（一般為 I3/I)能夠滲透到納米半導(dǎo)體薄膜內(nèi)部，使氧化態(tài)染料能有效地再生。 ?DSSC 電池結(jié)構(gòu)和組成 TiO2光電陰極 納米材料 指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材料 。 基本單元按維數(shù)分： 零維 ：空間三維均在納米尺度 ， 如納米尺度顆粒 、 原子團(tuán)簇等 量子點(diǎn) 一維 ：空間有兩維處在納米尺度 ， 如納米絲 ， 納米棒 、 納米管等 量子線 二維 ：空間有一維處在納米尺度 ， 如超薄膜 ， 多層膜 ， 超晶格等 量子阱 納米材料與納米結(jié)構(gòu)的定義 TiO2光電陰極 ?DSSC 電池結(jié)構(gòu)和組成 納米的基本概念 人高 紅血球 分子及 DNA 氫原子 針頭