【正文】 5 第二章 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作機(jī)理 染料敏化太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)與原理 染料敏化太陽(yáng)電池與傳統(tǒng)硅太陽(yáng)電池原理不同， TiO2 屬于寬帶隙半導(dǎo)體 (帶隙寬度為 )，具有較高的熱穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性，不能被可見光激發(fā)。 TiO2 不能 被可見光激發(fā)，因而要在 TiO2 表面吸附一層對(duì)可見光吸收特性良好的敏化劑。同時(shí)，處于氧化態(tài)的染料分子被電解質(zhì)中的碘離子 Iˉ還原回到基態(tài)，而 Iˉ被氧化為 I3ˉ， I3ˉ很快被從陰極進(jìn)入的電子還原成 Iˉ構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。在透明導(dǎo)電玻璃（ FTO）上鍍一層多孔納米晶氧化物薄膜（ TiO2），熱處理后吸附上起電荷分離作用的單層染料構(gòu)成光陽(yáng)極。 圖 21 DSSC 太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)上來看 DSSCs 就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被敏化劑所代替，而納米多孔半導(dǎo)體膜結(jié)構(gòu)則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。完全不同于傳統(tǒng)硅系結(jié)太陽(yáng)能電池的裝置，染料敏化太陽(yáng)能電池的光吸收和電荷分離傳輸分別是由不同的物淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 質(zhì)完成的，光吸收是靠吸附在納米半導(dǎo)體表面的染料來完成，半導(dǎo)體僅起電荷分離和傳輸載體的作用，它的載流子不是由半導(dǎo)體產(chǎn)生而是由染料產(chǎn)生的。被氧化了的染料分子通過電解液擴(kuò)散過來的 I還原回到基態(tài)，使染料分子得到再生， Iˉ被氧化成 I3ˉ；同時(shí)電解質(zhì)中的 I3ˉ擴(kuò)散回到對(duì)電極被電子還原成 Iˉ。 染料敏化太陽(yáng)能電池各組成部分的進(jìn)展 光陽(yáng)極材料 光陽(yáng)極材料：光敏材料敏化的半導(dǎo)體光陽(yáng)極對(duì)該電池的性能起到至關(guān)重要的作用，成為目前研究的熱點(diǎn)。 染料敏化太陽(yáng)能電池中， TiO2 光陽(yáng)極所用的納米晶薄膜分為致密 TiO2 薄層、納米多孔結(jié)構(gòu) TiO2 薄膜，其中致密薄膜是早期染料敏化太陽(yáng)能電池中 TiO2 光陽(yáng)極所采用的，因其吸附染料效率低，后來少被采用，納米多孔結(jié)構(gòu) TiO2 薄膜在目前染料敏化太陽(yáng)能電池中 TiO2 光陽(yáng)極采用極為廣泛。光陽(yáng)極的性質(zhì)直接影響 DSSC 光電轉(zhuǎn)換的能力和效率，研究制備高效的 光陽(yáng)極是該領(lǐng)域迫切需要研究的重點(diǎn)問題。對(duì) DSSC 而言，傳統(tǒng)溶膠凝膠法制得的 TiO2 電極薄膜與玻璃基底結(jié)合牢固，但結(jié)構(gòu)致密、比表面積小，不利于染料吸附 [8]和電解質(zhì)離子的擴(kuò)散 [9]，造成光電轉(zhuǎn)換效率低下，在 DSSC 中的應(yīng)用受到限制。將高壓釜中水熱Ostwald 熟化后的溶膠涂覆在導(dǎo)電玻璃基片上，經(jīng)高溫煅燒即得到納米 TiO2 薄膜電極。 杜作娟等 [10]以 Ti(SO4)2：為原料，采用水熱法制備了銳鈦礦型 TiO2 納米粉體，并利用 XRD、激光粒度儀等對(duì)所得 TiO2 粉體的晶相組成、粒徑分布等性質(zhì)進(jìn)行了表征，探討了反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)粉體晶型及粒徑的影響。 李勝軍 [9]等利用聚苯乙烯小球做造孔劑，用溶膠一凝膠水熱法制備了孔徑約200nm、顆粒均勻的銳鈦礦型 TiO2 納晶薄膜電極，并探討了造孔劑對(duì)電極光電性能、 I3ˉ極限擴(kuò)散電流的影響。與不含大孔的 TiO2 電極相比，提 高短路光電流光電轉(zhuǎn)換效率可提高 ％。在直流電壓作用下 TiO2懸浮液中的帶電顆粒移向反向電極，放電而形成沉積層，經(jīng)高溫煅燒即得到納米TiO2 薄膜電極。但薄膜與導(dǎo)電玻璃基底結(jié)合不牢，易脫落，影響了電池的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，基體上的沉積量與外加電壓和時(shí)間近似成線性關(guān)系，隨著懸浮液濃度的提高而增大。 劉煒華 [8]等分別用溶膠凝膠法、電泳法以及溶膠凝膠一電泳復(fù)合法制備了TiO2 薄膜電極。所制備的薄膜電極用于染料敏化太陽(yáng)電池， 開路電壓達(dá) 0． 7V，短路電流達(dá) ，填充因子達(dá) 0． 55，效率達(dá) 3． 14％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種方法所制得電池的效率。雖然可制備連續(xù)大面積的納米 TiO2 薄膜，但結(jié)構(gòu)致密、比表面積小，不利于染料吸附。用此方法制備 TiO2 薄膜可以大面積連續(xù)生產(chǎn)，具有廉價(jià)、與襯底結(jié)合牢固、方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，有利于 DSSC 的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 不同制備方法的分析比較： 傳統(tǒng)的溶膠凝膠法和電泳沉積法有互補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)和局限性，溶膠凝 膠一電泳復(fù)合法綜合了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，制得的 TiO2，薄膜電極既較好地解決了膜脫落問題，又可吸附較多的染料，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。其局限性是耗時(shí)較長(zhǎng)，必須進(jìn)行高溫和高壓處理，限制了基底材料的選用。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于進(jìn)行大面積的均勻鍍膜，對(duì) DSSC 的大面積化和產(chǎn)業(yè)化提供了可靠的技術(shù)支持。但是磁控濺射得到的薄膜太致密，低比表面積不利于染料分子的吸附，其廣泛應(yīng)用還受一定限制。在實(shí)際工作中，染料敏化太陽(yáng)能電池由于有電流通過陰極，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，形成超電勢(shì)，引起電勢(shì)的損失，降低了電池的性能。 電解質(zhì) 電解質(zhì)擔(dān)負(fù)著復(fù)原染料，傳輸電荷，改變 TiO染料及氧化還原電對(duì)的能級(jí)，改變體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性等重要作用，因此，電解質(zhì)的組成及溶劑配方對(duì)太陽(yáng)能電池的效率有很大影響。液態(tài)電解質(zhì)含有易揮發(fā)的有機(jī)溶劑，對(duì)電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有很不利的影響。全固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池也是研究的熱點(diǎn)。 中科院物理所與日本東京大學(xué)合作利用融鹽與 p 型 Cu I 半導(dǎo)體的復(fù)合體系組裝的固態(tài)染料太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了 3. 8%[ 1 ] ， Tennakone 等 [ 2 ]用 4CaB r3S(C4H9 ) 2的聚合物性質(zhì)優(yōu)化了接觸，提高了電池性能，從一個(gè)側(cè)面說明了聚合物電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)， 但η最高只有 5 %左右 [ 3 ] 。與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)染料染料敏化太陽(yáng)能電池底工作機(jī)理 9 敏化太陽(yáng)能電池敏化劑的氧化還原電位，可以和空穴導(dǎo)體的工作函數(shù)更好的匹配，所以固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池獲得的 Uoc 值很高，可以達(dá)到接近 1V。 敏化劑 敏化劑：敏化劑吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生光致分離，它的性能直接決定太陽(yáng)電池的光電性能。 按其結(jié)構(gòu)中是否含有金屬原子或離子，敏化劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。 敏化染料分子的性質(zhì)是電子生成和注入的關(guān)鍵因素，作為光敏劑的染料須具備以下條件： ①對(duì)二氧化鈦納米晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電極表面有良好的吸附性， 即能夠快速達(dá)到吸附平衡，而且不易脫落； ②在可見光區(qū)有較強(qiáng)的、盡量寬的吸收③染料的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)要有較高的穩(wěn)定性； ④激發(fā)態(tài)壽命足夠長(zhǎng)， 且具有很高的電荷傳輸效率，這將延長(zhǎng)電子 空穴分離時(shí)間， 對(duì)電子的注人效率有決定性作用； ⑤具有足夠負(fù)的激發(fā)態(tài)氧化還原電勢(shì)，以保證染料激發(fā)態(tài)電子注入二氧化鈦帶。在制備技術(shù)方面，基于傳統(tǒng)的刮涂制膜技術(shù)和逐層沉積制備技術(shù)，由于操作的復(fù)雜性和技術(shù)掌握的難度，是光陽(yáng)極制備的瓶頸問題。 總之，通過光敏化，獲得較寬的可見光譜響應(yīng)范圍，快速的電子傳輸，優(yōu)越的電子散射系數(shù)，增強(qiáng)的光收集效率以及優(yōu)越的抑制電荷復(fù)合性能的多孔膜將是未來TiO2 光陽(yáng)極研究的方向。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 其研究人員將一層氧化鈦一層敏化顏料，以及一層多孔鈦 (porous Ti)作為電極 (正極 )；一層包含碘等電解質(zhì)的多孔層，以及一層白金 (Pt)與鈦?zhàn)鳛榱硪欢穗姌O(負(fù)極 )。將光線從玻璃纖維的一端透進(jìn)去，光就會(huì)被太陽(yáng)能電池中的染料所吸收，并轉(zhuǎn)換成電力；而若是該纖維稍有傾斜，在光線從另一端出去之前，就不會(huì)在表面下的玻璃造成完全反射。 預(yù)計(jì)未來該種太陽(yáng)能電池的凈轉(zhuǎn)換率 ( conversion efficiency)可望達(dá)到10%，被浪費(fèi)的光線問題能透過增加光纖的長(zhǎng)度或是減少纖維直徑來克服。 利用有機(jī)物來提高轉(zhuǎn)換效率 通常用于油漆之類的有機(jī)染料，含有金屬?gòu)?fù)合體，一接收到太陽(yáng)光，便會(huì)釋出電子。制造的原理很簡(jiǎn)單，但是要選擇何種染料與電解液做結(jié)合，卻令人傷透腦筋，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換效率的好壞，與選材的關(guān)系密切，研究人員必須反復(fù)測(cè)試不同材料的組合，以求提高光電轉(zhuǎn)換效率。隨著深度的研究將推出商業(yè)化的 DSSC。 染料敏化太陽(yáng)能電池的制作過程 11 第三章 染料敏化太陽(yáng)能電池的制作過程 染料敏化太陽(yáng)能電池的制作步驟 ↓ ↓ ↓ ↓ 圖 31染料敏化太陽(yáng)能電池的制作步驟 二氧化鈦膜的制備 二氧化鈦的制備有兩種方法（ 圖 32）： 一種方 法是：稱取適量二氧化鈦粉 (Degussa P25) 放入研缽中，一邊研磨，一邊逐漸加入硝酸或乙酸 (pH 值為 3 — 4) ，研磨均勻。 二氧化鈦膜的制備 利用天然染料把二氧化鈦膜著色 制作反電極 組裝電池 注入電解質(zhì) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 圖 33 二氧化鈦涂覆 取一定面積的導(dǎo)電玻璃，用萬(wàn)用表來檢測(cè)判斷其導(dǎo)電面。 膠帶的大部分與桌面相粘，有利于保護(hù)玻璃不動(dòng)，這樣形成一個(gè)約 40— 50μm 深的溝，用于涂敷二氧化鈦。 圖 34 用酒精燈烘干 （圖 34） 待二氧化鈦薄膜自然涼干后，再撕去膠帶，放入爐中，在 450℃ 下保溫半小時(shí)。然后讓其自然冷卻至室溫，儲(chǔ)存?zhèn)溆?。其類似于類囊體膜，呈多孔狀，多孔膜有利于吸收太陽(yáng)光和收集電子。有些水果和葉子也可