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染料敏化太陽能電池技術

作者： admin 日期： 2020-11-13 文字大小：大中小

染料敏化太陽能電池技術

在諸多新能源中，太陽能以其豐富的儲量、清潔無污染的優點和較小的地域限制而受到廣泛關注。對太陽能的利用主要包括光熱轉換、光電轉換和光化學能轉換3種形式。太陽能電池是一種將太陽能轉換成電能的光電轉換器件，它可以直接為小型電器提供電能，也可以進行并網發電，因而有著十分廣闊的應用前景。硅基太陽能電池是最早發展起來，并且也是目前發展最成熟的太陽能電池。經過數十年的努力。單晶硅太陽能電池的效率已經超過了25％，在航天中起著舉足輕重的作用。但在民用方面目前性價比還不能和傳統能源相競爭。因此，各類新型太陽能電池應運而生。

在眾多新型太陽能電池中，染料敏化太陽能電池(Dye-SensitizedSollarCells，簡稱DSC)近年來發展迅速。其研究歷史可以追溯到20世紀60年代，德國Tributsch發現了染料吸附在半導體上在一定條件下能產生電流，為光電化學奠定了重要基礎。事實上，到1991年以前，大多數染料敏化的光電轉換效率比較低(<1％)。1991年，瑞士洛桑高等工業學院的MichaelGratzel教授領導的研究小組將納晶多孔薄膜引入染料敏化太陽能電池中，使得這種電池的光電轉換效率有了大幅度的提高。相比于硅基太陽電池，染料敏化太陽能電池(DSC)具有成本低廉、工藝簡單和光電轉換效率較高的特點。

1.結構

典型的染料敏化太陽能電池的結構包括納米多孔Ti02半導體薄膜、透明導電玻璃、染料光敏化劑、空穴傳輸介質和對電極。多孔納米TiO2薄膜是電池的光陽極，其性能的好壞直接關系到太陽能電池的效率。這種薄膜一般是用TiO2納晶微粒涂覆在導電玻璃表面，在高溫條件下燒結而形成多孔電極。

透明導電玻璃一般為ITO玻璃或TCO玻璃等，它起著傳輸和收集電子的作用。染料光敏化劑是吸附在多孔電極表面的，要求具有很寬的可見光譜吸收及具有長期的穩定性。空穴傳輸介質主要起氧化還原作用和電子傳輸作用。各種染料敏化電池的主要區別也是在于空穴傳輸介質的不同。對電極一般使用鉑電極或具有單電子層的鉑電極，主要用于收集電子。

2.工作原理

染料敏化太陽能電池的基本工作原理如下：當能量低于多孔納米TiO2薄膜禁帶寬度，但等于染料分子特征吸收波長的入射光照射在多孔電極上時，吸附在多孔電極表面的染料分子中的電子受激躍遷至激發態，再注人到TiO2導帶，而染料分子自身成為氧化態。注入到TiO2中的電子通過擴散富集到導電玻璃基板，然后進入外電路。處于氧化態的染料分子從電解質溶液中獲得電子而被還原成基態，電解質中被氧化的電子擴散至對電極，這就完成了一個光電化學反應的過程。在染料敏化太陽能電池中，光能被直接轉換成了電能，而電池內部并沒有發生凈的化學變化。

DSC電池的工作原理類似于自然界的光合作用，與傳統硅電池不同。它對光的吸收主要通過染料來實現，而電荷的分離傳輸則是通過動力學反應速率來控制。電荷在TiO2中的運輸由多數載流子完成，所以這種電池對材料純度和制備工藝的要求并不十分苛刻，使得制作成本大幅下降。

3價格和工藝優勢

傳統的太陽能電池的光吸收和載流子的傳輸是由同種物質來完成的，為了防止電子與空穴的重新復合，所用的材料必須具有很高純度，并且沒有結構缺陷，因此對半導體的工藝要求很高，導致成本難以降低。而染料敏化的光電化學電池僅在一個帶上產生載流子，即陽極發生光敏化后，電子注入納米Ti02導帶，而空穴仍留在表面的染料上。因此，電荷的重新復合受到限制，從而可以使用多晶的及純度不高的材料，工藝較為簡單，成本也大為降低。目前，染料敏化太陽能電池的價格是硅太陽能電池的1/5～1/10。

4.理論光電轉化效率高

目前的染料敏化太陽能電池以液態電解質為主，其理論光電轉化率已能穩定在10％以上，與多晶硅太陽能相比也毫不遜色，用固體有機空穴傳輸材料作電解質的全固態電池在單色光下，甚至能達到33％。3.3其他優勢染料敏化太陽能電池具有透明度高，可以制成透明的產品；在柔性基底上制備，電池可以制成各種形態，極大的擴大了其應用范圍；可以在各種光照條件下使用；對光線的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光；工作溫度較寬，上限可高達70℃等優點。

5.現階段存在的主要問題

目前，染料敏化太陽能電池(面積<0.5cm2)的光電轉換效率已達到11.04％。但是對于大面積、具有實用化意義的光電轉化效率一直在5％左右(最高5.9％)，面積大于100cm2的電池尚未見報道。比起傳統的硅太陽能電池的轉換效率仍有一定的差距，染料敏化太陽能電池的光電轉化效率仍有待于提高。

使用較廣泛的液態電解質染料敏化太陽能電池，主要采用液態有機小分子化合物溶劑，其沸點低，易揮發，流動性大，會造成給電極腐蝕、電解液泄露、壽命短等一系列問題，給電池的密封和長期使用帶來困難。

染料敏化太陽能電池的發展面臨的主要挑戰包括以下幾個方面：高效電極(光陽極和對電極)的低溫制備和柔性化；廉價、穩定的全光譜染料的設計和開發；液體電解質的封裝和高效固態電解質的制備及相關問題的解決等。

6.發展前景

由于液態電解質染料敏化太陽能電池存在一系列的問題，因此尋找合適的固態空穴傳輸材料來代替液態電解質，制備全固態的染料敏化太陽能電池將是一個重要的研究方向。

全固態敏化太陽能電池主要由透明導電基片、致密二氧化鈦層、染料敏化的多相結和金屬電極組成。其中，引入致密二氧化鈦層是為了防止導電基片與空穴傳輸材料直接接觸而造成短路。染料敏化的多相結主要含多孔二氧化鈦膜、染料、空穴傳輸材料和一些添加劑。

全固態敏化太陽能電池的工作原理是，多相結中的染料的電子受到能量低于二氧化鈦禁帶寬度的光激發躍遷至激發態，然后注入到二氧化鈦的導帶內，而染料分子自身轉變為氧化態。注入到二氧化鈦中的電子富集于導電基底，并通過外電路流向金屬電極。處于氧化態的染料分子通過空穴傳輸層得到電子（或者說染料分子中的空穴注入空穴傳輸層，并最終到達金屬電極而得到還原。與液態電解質染料敏化太陽能電池相同，在整個過程中各種物質表觀上沒有發生變化，而光能轉化為電能。

除全固態敏化太陽能電池之外，染料敏化太陽能電池未來的發展方向還包括以下幾個方面：高效電極(光陽極和對電極)的低溫制備和柔性化；廉價、穩定的全光譜染料的設計和開發；液體電解質的封裝和高效固態電解質的制備及相關問題的解決等。

7.總結

目前，染料敏化太陽能電池已經發展到向產業化過渡的階段。在現有技術的基礎下，進一步降低成本、提高效率和穩定性、推進工業化的進程是必然的發展趨勢，染料敏化太陽能電池相對其它類型太陽能電池具有巨大的價格優勢，雖然現在還存在一些問題，但我們相信在不久的將來，隨著技術的進一步發展，這種太陽能電池將具有十分廣闊的應用前景。

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