【正文】 葛偉杰等發(fā)現(xiàn)多孔膜表面經(jīng) TiCl4 處理前后不僅開路電壓增大了 25%以上 ,而 且短路光電流也提高了 30%以上 。 絲網(wǎng)印刷適用于大規(guī)模制備太陽能電池的工藝。銳鈦礦和板鈦礦分別在 1000176。制約染料敏化太陽能電池光電轉化效率的一個因素就是光電壓過低。 TiO2納米晶電極微結構，如粒徑、氣孔率對太陽能電池的光電轉換效率有非常大的影響。另外 ,這種結構的電極 ,其表面粗糙度大 ,太陽光在粗糙表面內多次反射 ,可被染料分子反復吸收 ,從而大大提高太陽光的利用率。染料敏化納米晶太陽電池的短路光電流密度對應于光電流作用譜中 IPCE 在可見光部分的積分面積。 一般在地面應用的情況下，如無特殊說明，通常是指 的情況?，F(xiàn)在通過太陽模擬器，在室內就能夠得到模擬太陽光進行試驗。同時 ,處于氧化態(tài)的染料分子 ,由電解質 (I/I3)溶液中的電子供體 (I)提供電子而回到基態(tài) ,染料分子得以再生 氧化態(tài)染料 +還原態(tài)電解質 —— D + 氧化態(tài)電解質 (染料還原 ) (4) 電解質溶液中的電子供體 (I)在提供電子以后 (I3),擴散到 對電極 ,得到電子而還原 氧化態(tài)電解質 +e (陰極 ) —— 還原態(tài)電解質 (電解質還原 ) (5) 注入到 TiO2導帶中的電子與氧化態(tài)的染料發(fā)生復合反應 氧化態(tài)染料 +e (TiO2導帶 ) —— D (電子復合 ) (6) 注入到 TiO2導帶中的電子與電解液中的 I3發(fā)生復合反應 氧化態(tài)電解質 +e (TiO2導帶 ) —— 還原態(tài)電解質 (暗電流 ) 其 中 ,反應 (5)的反應速率越小 ,電子復合的機會越小 ,電子注入的效率就越高 。 第二章 DSSC 的結構與工作原理 太陽能發(fā)電是太陽能利用的重要領域之一 ,它具有高效、清潔、低成本的優(yōu)勢。 棗莊職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 7 盡管制作電池的材料不同 ,但其材料一般應滿足以下幾個要求 : (1)半導體材料的禁帶不能太寬 。這樣被激發(fā)的自由電子和空穴分別向左右漂移 , 將使 Ｐ 區(qū)帶正電，Ｎ 區(qū)帶負電，從而產(chǎn)生光生電動勢 Vph,接上負載 R就可產(chǎn)生光生電流 Iph。因此，太陽能電池都是由半導體 Ｐ — Ｎ 結構成的，最簡單的太陽能電池由一個大面積的 Ｐ — Ｎ 結構成，例如 Ｐ 型半導體表面形成薄的 Ｎ 型層棗莊職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 6 構成一個 Ｐ — Ｎ 結（ 見圖 1） 。 太陽內部每時每刻都在發(fā)生熱核聚變反應 ,進行質能轉換 ,向宇宙輻射的總功率約為 3*1023kW,投射到地球大氣層之前的功率密度約為 1135kW/m2。 棗莊職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 5 其二， 制 造感光 顆 粒，只需將半 導體 顆粒浸泡在含染料的溶液中，再用惰性 氣體風干 即可； 涂 布在 陽極 表面上的平整度也 沒 有特別要求， 制 程 簡單 又便宜?；?于這樣 的 設計 所 制 成的 電 池即所 謂 染料敏化太 陽 能電 池 (DSSC)。 首選，本論文在總結染料敏化納米晶太陽能電池工作原理、效率的提高和最新發(fā)展的基礎上，用溶膠 凝膠法 (SolGel 法 )制備了銳鈦礦晶型的納米晶多孔 TiO2粉體。 本論文從染料敏化納米晶太陽能電 池陽極的制備及其染料共敏化方面進行了研究。而所 謂 DSSC「染料敏化太 陽能電池 」，其基本 設計 是用奈米尺寸的金 屬 氧化物半 導體的顆粒 ，以化 學 方法使其表面吸附染料分子，再 將這種顆粒涂布 在 電池電路 的 陽極 上做 為 感光 層 ；在感光 層 和 陰極之間則 加上一 層電 解 質幫 助 導電 。而且奈米 顆 粒分布的方式使得感光 層 的有效受光表面 積約變?yōu)殡姌O 表面 積 的 100 倍，因此能以 極 少量物 質達 到很大的吸光效率 。而在人類可以預測的未來時間內 ,太陽能作為人類取之不盡用之不竭的潔凈能源 ,不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染 ,且基本上不受地理條件的限制 ,因此太陽能利用技術研究引起了各國科學家的廣泛重視。 能將光能轉換成電能的光電轉換器叫太陽能電池，在半導體Ｐ — Ｎ 結上，這種光伏效應更為明顯。這樣，在強電場的作用下，空穴由 Ｎ 區(qū)漂移到 Ｐ 區(qū)，而電子則由 Ｐ 區(qū)漂移到 Ｎ 區(qū)。 (4)納米晶太陽能電池等。其光電效率穩(wěn)定在 10%,制作成本僅為硅太陽能電池的 1/5～ 1/10 ,壽命能達到 20 年以上。其光電轉換機理如圖 3 所示，過程如下： 棗莊職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 8 (1) 太陽光 (h?)照射到電池上 ,基態(tài)染料分子 (D)吸收太陽光能量被激發(fā) ,染 料分子中的電子受激躍遷到激發(fā)態(tài) ,染料分子因失去電子變成氧化態(tài) (D*) D+h? —— D* (染料激發(fā) ) (2) 激發(fā)態(tài)的電子快速注入到 TiO2導帶中 D*+ TiO2 —— e (TiO2導帶 )+ 氧化態(tài)染料 (光電流產(chǎn)生 ) (3) 注入到 TiO2導帶中的電子在 TiO2膜中的傳輸非常迅速 ,可以瞬間到達膜與導電玻璃的接觸面 ,并在導電基片上富集 ,通過外電路流向對電極 。因此太陽光光譜在不同波長處存在許多尖峰，特別是在紅色及紅外區(qū)域上。海平面上任意一點和太陽的連線與海平面的夾角叫天頂角。 電路處于短路（即外電阻為零）時產(chǎn)生的光電流稱為短路光電流；單位面積短路光電流稱為短路光電流密度。這樣的結構使 TiO2 具有高比表面積 ,使其能吸附更多的單層染料分子 ,只有緊密吸附在半導體 表面的單層染料分子才能產(chǎn)生有效的敏化效率。所以染料敏化納米晶半導體電極既可以吸附大量的染料 ,從而可有效的吸收 太陽光 ,同時又可以保證高的光電量子效率。所以 ,如何選擇合適大小的半導體粒度對電極的光電性質影響很大。 二氧化鈦在常溫下有金紅石、銳鈦礦和板鈦礦三種晶型，其中金紅石最穩(wěn)定。 納米 TiO2多孔膜的制備 目前 , 制備納米 TiO2 多孔膜的方法包括浸漬法，旋轉法，絲網(wǎng)印刷，濺射法，高溫溶膠噴射沉積等多種技術 ,其中應用最多的是絲網(wǎng)印刷。為了抑制這一過程 ,常采用兩種方法： 一．在制備好的二氧化鈦多孔膜表面通過水解低濃度的 TiCl4 修飾一層細小的TiO2,細小的 TiO2 既可以增加薄膜中大粒徑 ,孔徑的連接 ,增加電子的傳輸 ,也可以對薄膜二氧化鈦表面態(tài)進行修飾 ,降低電荷復合。在電解質中加入一定電荷復合抑制劑也可提高電池的性能 ,如吸附了染料的 TiO2電極在 4－叔丁基吡啶中浸泡后 ,4叔丁基吡啶通過吡啶氮與 TiO2表面剩余氧空位配位結合 ,可阻止 TiO2表面光生電子與 I3的復合 ,通過 4叔丁基吡啶的處理 ,電池的開路光電壓和填充因子可分別提高 74%和 31%,總光電轉化效率也為未處理電極的 2 倍。 1988 年 Gratzel 又把這種染料敏化到粗糙度約為 200 的納米 TiO2電極上 ,得到了 73%的光電量子效率 ,470nm 單色光光電轉化效率達到 12%,使人們看到了敏化染料用于敏化寬帶隙半導體電極的應用前景。這包括： (1)有機類染料；紫菜堿和酞菁類有機物首先引起了研究者的注意。電解質可分為液體電解質與固棗莊職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 17 體電解質，液體電解質電池的轉化效率較高，典型的液體電解質為 LiI 和 I2 的乙睛溶液。該電池的光電轉換效率高達 ％， 與不加 SiO2 納米粉末的電池性能一樣。有機小分子膠凝劑通過分子中酰胺鍵之間的氫鍵和伸展開的長脂肪鏈之間的分子間力來固化離子液體，形成準固態(tài)的電解質。此類聚合物在電解質中形成網(wǎng)絡狀結構 , 離子液體填充于其中，達到固化電解質的目的。 綜觀近期文獻報道，對染料敏化納米晶太陽能電池應從以下幾個方面進行研究： （１）納米材料制備：電子在納米晶傳輸過程中會與電子受體發(fā)生復合從而 引起電流損失，因此需要在探索電極微結構與光電性質的基礎上，尋找制備方法簡單，性能優(yōu)異的 TiO2納米晶材料，以減少電子在傳輸過程中的損失。使用倒相法制備這種準固態(tài)的電解質，是在高分子 PVDFHFP 體系中 摻雜不同比例 TiO2 的納米粒子，再吸附固化電解液，以待使整個電池體系性能穩(wěn)定并能達到較高的轉換效率 . 通過近年來對染料敏化納米晶太陽電池的研究，其光電轉化效率已能穩(wěn)定在10 ％以上，壽命能達 15— 20 年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的 1／ 5— 1／ 10，可以預計其性價比的優(yōu)勢在未來工業(yè)化和商業(yè)化上將很快得到充分的體現(xiàn)，必將在太陽電池領域占有一席之地，對它的研究將有利于緩解當今世界的能源危機問題，具有非常重要的現(xiàn)實意義。發(fā)現(xiàn)在 PVDFHFP/TiO2=10:3，聚合膜的表面形貌均一，孔徑大小適合， 更好的吸附電解液，有效減小電池的內阻。我不是最出色的學生， 但是 我 感謝我 最尊敬的老師 們 。染料敏化太陽電池研究進展 [J]。自然科學