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文檔簡介
1、染料敏化太陽能電池的概況染料敏化太陽能電池的概況目前電池方面最有前景的莫過于染料敏化太陽能電池,它的發(fā)展前景十分廣闊。但是它的研究歷史其實可以追溯到19世紀早期的照相術。1837年,Daguerre制出了世界上第一張照片。兩年后,F(xiàn)oxTalbot將鹵化銀用于照片制作,但是由于鹵化銀的禁帶寬度較大,所以相片質量并沒有得到很大的提高。1883年,德國光電化學專家Vogel發(fā)現(xiàn)有機染料能使鹵化銀乳狀液對更長的波長敏感,這是對染料敏化效應的最
2、早報導。使用有機染料分子可以擴展鹵化銀照相軟片對可見光的響應范圍到紅光甚至紅外波段,這使得“全色”寬譜黑白膠片乃至現(xiàn)在的彩色膠片成為可能。1887年,Moser將這種染料敏化效應用到鹵化銀電極上,從而將染料敏化的概念從照相術領域延伸到光電化學領域。1964年,Namba和Hishiki發(fā)現(xiàn)同一種染料對照相術和光電化學都很有效。這是染料敏化領域的重要事件,只是當時不能確定其機理,即不確定敏化到底是通過電子的轉移還是通過能量的轉移來實現(xiàn)的。
3、直到20世紀60年代,德國的Tributsch發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導體上并在一定條件下產(chǎn)生電流的機理,才使人們認識到光照下電子從染料的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后繼而注入半導體的導帶的光電子轉移是造成上述現(xiàn)象的根本原因。這為光電化學電池的研究奠定了基礎。但是由于當時的光電化學電池采用的是致密半導體膜,染料只能在膜的表面單層吸附,而單層染料只能吸收很少的太陽光,多層染料又阻礙了電子的傳輸,因此光電轉換效率很低,達不到應用水平。后來人們制備了分散的顆粒
4、或表面積很大的電極來增加染料的吸附量,但一直沒有取得非常理想的效果。1988年,Grtzel小組用基于Ru的染料敏化粗糙因子為200的多晶二氧化鈦薄膜,用Br2Br氧化還原電對制備了太陽能電池,在單色光下取得了12%的轉化效率,這在當時是最好的結果了。直到1991年,Grtzel在O’Regan的啟發(fā)下,應用了O’Regan制備的比表面積很大的納米TiO2顆粒,使電池的效率一舉達到7.1%,取得了染料敏化太陽能電池領域的重大突破。應當說
5、,納米技術促進了染料敏化太陽能電池的發(fā)展主要由納米多孔半導體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質、對電極和導電基底等幾部分組成。納米多孔半導體薄膜通常為金屬氧化物(TiO2、SnO2、ZnO等),聚集在有透明導電膜的玻璃板上作為DSC的負極。對電極作為還原催化劑,通常在帶有透明導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。正負極間填充的是含有氧化還原電對的電解質,最常用的是I3I。工作原理工作原理⑴染料分子受太陽光照射后由基態(tài)
6、躍遷至激發(fā)態(tài);⑵處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導體的導帶中;⑶電子擴散至導電基底,后流入外電路中;⑷處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質還原再生;⑸氧化態(tài)的電解質在對電極接受電子后被還原,從而完成一個循環(huán);⑹注入到TiO2導帶中的電子和氧化態(tài)染料間的復合(7)導帶上的電子和氧化態(tài)的電解質間的復合研究結果表明:只有非??拷黅iO2表面的敏化劑分子才能順利把電子注入到TiO2導帶中去,多層敏化劑的吸附反而會阻礙電子運輸;染料色激發(fā)態(tài)壽命很短
7、,必須與電極緊密結料敏化太陽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,引起電勢的損失,降低了電池的性能。因此,陰極的制備一般用導電玻璃片作為基體,采用不同方法鍍上石墨、鉑或導電聚合物等不同材料,其中鍍鉑的效果較好。電解質:由于液態(tài)電解質在封裝上的技術困難,人們開發(fā)了無機半導體體系的固態(tài)電解質、有機空穴傳輸材料和高分子電解液體系等。與液態(tài)電解質相比,固態(tài)染料敏化太陽能電池敏化劑的氧化還原電位,可以和空穴導體的工作函數(shù)更好的匹配,
8、所以固態(tài)染料敏化太陽能電池獲得的Uoc值很高,可以達到接近1V。以固態(tài)電解質取代液態(tài)電解液應用于染料敏化太陽能電池,可以提高和改善電池的長期穩(wěn)定性。敏化劑:敏化劑吸收太陽光產(chǎn)生光致分離,它的性能直接決定太陽電池的光電性能。新的敏化劑使吸收長波的能力增加,并且具有很高的光學橫斷面和吸收近紅外光的能力。按其結構中是否含有金屬原子或離子,敏化劑分為有機和無機兩大類。無機類敏化劑包括釕、鋨類的金屬多吡啶配合物、金屬卟啉、金屬酞菁和無機量子點等;
9、有機敏化劑包括天然染料和合成染料。DSSCsDSSCs應用前景廣闊應用前景廣闊大慶石油學院王寶輝教授:在硅太陽能電池中單晶硅太陽能電池轉換效率最高多晶硅次之非晶硅最低。經(jīng)過長達10a加速光老化試驗的結果表明染料敏化太陽能電池的光電轉化效率幾乎不變且高達15%在一定程度上優(yōu)于非晶硅太陽能電池具有廣闊的應用前景。染料成為當前研究的一個熱點染料成為當前研究的一個熱點蘭州理工大學王青教授:敏化的納米晶TiO2電極是染料敏化太陽能電池的關鍵部分,
10、其性能直接關系到太陽能電池的總效率。在制備技術方面,基于傳統(tǒng)的刮涂制膜技術和逐層沉積制備技術,由于操作的復雜性和技術掌握的難度,是光陽極制備的瓶頸問題。絲網(wǎng)印刷技術由于其大面積制備的可操作性,是實現(xiàn)未來工業(yè)化不錯的手段,但同樣存在技術操作復雜的缺點,同時其規(guī)模制備所需條件依然需要改進和優(yōu)化。在染料敏化上,尋找低成本、性能良好的染料成為當前研究的一個熱點。總之,通過光敏化,獲得較寬的可見光譜響應范圍,快速的電子傳輸,優(yōu)越的電子散射系數(shù),增
11、強的光收集效率以及優(yōu)越的抑制電荷復合性能的多孔膜將是未來TiO2光陽極研究的方向。發(fā)展成果發(fā)展成果日本現(xiàn)已開發(fā)出“纖維狀無TCO染料敏化太陽能電池”來自日本的研究人員開發(fā)出一種“纖維狀無TCO染料敏化太陽能電池(fibertypeTCOlessdyesensitizedsolarcell)”,這種太陽能電池是將染料敏化太陽能電池層,環(huán)繞著一根長3.5厘米(cm)、直徑9毫米(mm)玻璃纖維所組成。該研究團隊來日本九州島科技大學的生命科學
12、與系統(tǒng)工程研究所,其研究人員將一層氧化鈦、一層敏化顏料,以及一層多孔鈦(pousTi)作為電極(正極)一層包含碘等電解質的多孔層,以及一層白金(Pt)與鈦作為另一端電極(負極)。將上述兩種電極順序環(huán)繞著玻璃纖維而除了該玻璃纖維的兩端,整個太陽能電池都以鈦覆蓋著。將光線從玻璃纖維的一端透進去,光就會被太陽能電池中的染料所吸收,并轉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,就不會在表面下的玻璃造成完全反射。目前該種太陽能電池所展
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