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1、纳米晶染料敏化太阳能电池的功能和解析公式中央民族大学本科生学年论文2012 年 3 月 16 日姓 名： 何义冬 学 号： 0735002 院 系： 理学院 专 业： 应用物理学专业 指导教师 ： 杨笛 中央民族大学本科生学年论文I摘 要基于实验观察，三相纳米二氧化钛/F：SnO 2/I-/I-3电解质前后联系有明显的整流特性（与电解质抑制逆反应的染料敏化的高效运作）太阳能电池和光电能源的发电起着积极参与，由公式推导，可以了解各种动能和晶胞参数的相关性和参与。从本质上讲，二氧化钛层视为照片阴极，电子捐献一个动力学控制的正面接触。扩大到包括光敏剂的光化学反应动力学，其中光降解特性也可以计算。整顿
2、性质的纳米二氧化钛/ F: SnO 2/I-/I-3电解质界面尔瓦尼型太阳能电池和一个更高效的“结型太阳能电池（另外，通过路口的潜力协助收费的分离和收集）。为改善这种细胞的主要挑战进行了讨论，特别是尊重光降解和固态器件。 关键词： 纳米 TiO2；晶胞参数；光降解；太阳能电池1前 言经过光敏摄影悠久的历史（见如1）的电力生产的染料敏化太阳能电池首次证实和热力学原理2显示，它被公认的讨论，引起染料能量转换机制，基本上代表光生氧化还原反应，允许在国家环保总局额定电极的电化学电池在同样的方式进行的，黑暗的氧化还原反应在电池利用下。机制被认为是代表一个光合作用涉及叶绿素3的主要过程。在这些最初的研究中
3、，它被认为注入氧化物半导体的电子诱导相似半导体电化学机制和光生能带弯曲如电子，AB-吸附的光子在半导体电极兴奋。注意多支付效率的限制，这是理论上更详细的分析到半导体导带的电子注入过程4。即使敏化太阳能电池与温和的能量转换效率高达 2.5的事件烧结氧化物基板制造人工光前进行了调查（见如5，6），这些细胞也证明需要更深刻的理论体系的理论认识，这是由几个螺柱提供的（见8-12）。其中，电极过程的概念也出现了显着偏离古典假设的光电机制。化学势的光致增加注入电子基板相对的是，例如考虑细胞产生的“动态”的方式（13，14）。所谓的“结模型”，另一方面，强调在黑暗中前接触涉及在照片潜力的经典概念。 正文1
4、实验探测的理论假设 传统的染料敏化细胞的理论分析8-10对待：作为一个简单的金属接触，纳米二氧化钛与交换电子的二氧化锡正面接触。 2第二个实验是简单地交换 I-/I-3 （E 0 = 0.53 V（下正常氢电极（NHE 的），电解质对 Fe（CN）。6-3/Fe（CN）6-4（E 0 = 0.46-0.69 伏，脱待 pH 值）的 Fe2 + / 3 +（E0 = 0.43-0.77 至五的电解质）后果是再次大幅减少太阳能电池的效率效率。第三个实验方法在仔细检查的纳米二氧化钛层的形态，切断其主要的表面垂直，用于获得这样一个垂直切割。 2 模型和计算 目前的模型，该模型尚未考虑其他车型染料敏细胞
5、，一个显着的特点是正面接触区域的界面动力学考虑 F：SnO 2/TiO2/I-/I-3。电子转移到前面的接触，将速率常数 KR，电子与逆反应速率常数 SR 的情侣碘/碘化重新 DOX 特点。积极反收费的纳米层和背接触的运输将保持离子电荷。 花事这种关系，获得一笔标准氧化还原潜在的（第一届），电解液的氧化还原电位（通常是碘/碘化），所产生的潜在注入 TiO2纳米粒子的电子和任期描述从短命激发的潜在可用染料本身：、激发光敏剂的光化学潜力，介导的辐射能量转移到能源可以计算出纳米晶染料敏化电池使用连续性方程3敏的频谱（具有较高的吸收系数）。分析的理论问题，现在可以得到解决18，19和潜在的依赖光 JP
6、H 描述由下列公式（KR 和 SR 描述电子转移（到F：二氧化锡）和电子损失（以碘化）速率常数分别为）公式（4）介绍了在众所周知的特征分子形状的 current.voltage 特点染料敏化细胞电池的性能。（4）式可以进一步改善在三个方向：41。审议通过光散射过程禁闭：由更换（4）2N2 到 4n2 。（N =折射率;是最大的几何因素实现从各向同性事件漫射光因非成像光学系统。更现实的细胞因子 2 操作）。2。敏动力学的考虑是可以通过计算5从可能的动力学电子注入此案在敏感的部位在反应动力学纳米粒子的表面（图 1a 所示）更换由获得修改 IL，光的强度，功能。此功能可以计算（G =代率的激发态敏的
7、浓度，S =S. =浓度激发光敏剂，IL =光强度，一 3=的碘化浓度，E。 =浓度注入电子，K1，K2，K3，K4，K5 速率常数定义浓度时的平稳性条件所限，注入的电子和激发态敏，后者可以计算从（6）（5）产生浓度注入插入电子其中有取代承运人代光强度 IL（4）有关，在所示的光电化学动力学图。 1A。可以考虑更复杂的动力学在相应的方式。 （8）从它可以看出，当注射速率 K1 相比，是非常高的电子转移激发敏率电解液，K5，这是对钌配合物的情况下，然后白细胞介素。也就是说，只有积极敏 S 的浓度速率常数 K4 和浓度一 3 反向电子与电解液中6的碘化反应仍然至关重要。如果致敏物质的浓度和先进的碘
8、化适当调整染料敏化太阳能电池，没有太大的影响出发光效率，因此应预计从动力学，在计算的影响（4），这将产生正面接触改为由于我们的能源转换接口的行为就像一个 pn 交界处的光伏 UOC 可以描述或者，在图中描述的特殊染料光解。 1A 正在审议的（9）：这里是二极管等于或大于 1 的因素 J0 在（11）交界处的反向饱和电流在黑暗中，它是由整流特性正面接触。形成成正比电流密度成反比的碘浓度（=敏，S + =氧化敏，磷=光化学产品，一=碘）23。7在染料敏化电池的再生过程以下假设稳态的情况下可以（JPH =光，F =法拉第常数）：预期产品的形成显然是成正比电流密度成反比碘浓度。3.1 动力学分析使用光
9、成像实验取得的成果技术的 IPS-2000 年的会议上提出的24和更早15清楚地表明，可见光的太阳能光事件顺 RuII（液氢）2（NCS）2（LH2 的= 2，2- 联吡啶-4，4- 羧酸）敏化太阳能电池（ 0.5M LII，50MM 碘，的 0.2M tert.丁基吡啶在乙腈）诱导光降解。由于钌配合物是负责在可见光谱区的福茂光吸收，光化学反应，（13）（18），可能是负责。对于既不太低也不太高的强度，线性关系之间的电流密度和光照强度，可以假设25：JPH = AIL。 （19）8这意味着，降解速率是成正比光的强度。这是或多或少完全依赖实验已发现24。它也将已经有趣的测试依赖光降解对碘的浓度。
10、然而，在许多叠加一个更严重的是细胞的光降解涉及电解液的退化现象。有趣的是，它可以完全解决（18）派生一生 TiO2，其中 S0 是消耗的 50。对于这个为此目的，我们从（18）代 photocurrrent 变量 JPH，太阳能电池的操作过程中，将是成正比的其余敏（S0，P）的浓度，量子效率因素作用，光照强度 IL 法拉第常数 F：方程（23）描述时间后一阶的反应：T 是 P 的敏 mole/cm2 的分数将有龋齿从S0 的初始浓度。 P 是在同一时间产品浓度 P 形成。方程（23）解决和产量：9现在，可以推断其中 KBR = k3I。/ K2 可以被定义为分支比，再生速率常数的比值敏和产品形
11、成。它是独立的初始浓度的增敏（S0），但依赖于量子效率（光代）和光照强度。低量子效率，时间越长，电池的寿命。解决方案的确切微分方程（23）（25）还建议如何正确可以是短期的实验外推到较长期的行为：可以在不同的光测量绘制倍和 k0 确定。寿命 T0 现在，可以决定 1/2（28）。两个降解实验（与分级生产与光成像的光学过滤器和圆孔技术）准备完全相同的染料敏细胞，在24描述产量顶端样本（右洞）在 54 天的 23，光降解，底部样品（右洞），17的退化，在同一时期。这是一个 20的平均水平。3.2 线性近似有趣的是，它也有可能获得合理准确染料敏化太阳能电池的寿命公式显着的细胞（定义为 50消耗敏）简
12、化退化过程的线性外推。根据假设恒定的10光强度和可以集成线性退化（18）：当定义为一生的时间在半消耗敏（FS0 =的 S0 / 2），T = t1 / 2，所以，DP =S0 / 2 时，在平均光的平均值假设直线下降照明的开始和结束之间其中 KBR = k3I。/ K2 又是分支比，比敏和产品再生的速率常数形成。一生的 TiO2染料敏化方程（32）太阳能电池说，一生将是更高更高分支比和较高的初始浓度过敏。这将是较小的，更高的初始光。然而，关系（32）获得通过使与退化的线性外推。有多大错误的介绍？为了比较的线性外推的关系 t1 / 2 与精确计算的关系 T0 的关系（3.3 降解挂钩的公式为感光
13、细胞光电流和光电压行为的推导公式纳米感光细胞，（10）和（12），分别表达比例和对数关系于敏在长期的浓度与暴露在阳光下的敏会被逐渐消耗和产物 P 的形成。11当这种关系被引入（10）（12），以取代里，他们描述的细胞特性的恶化随着时间的推移。有了这样一个完整的公式，所有重要的因素影响和控制的染料敏化细胞的行为可得到承认和评价。3.4 分支比的实验测定让我们现在研究真正的长期挑战高效染料敏细胞是：（33 起），我们可以尝试插入现实的参数。 S0 的，可以认为是 S0 = 2】10.7 15 moles/cm2 - m 厚的二氧化钛薄膜。光电流，为 200W/m2 平均，可以假设是 3 mA/cm
14、2 的。与 97 500As/mole 的法拉第常数我们得到：在几秒钟的尺寸。对于一个预计寿命 20 岁; T0 有退化和光已经下降到 50，是 T0 的 1/2= 6.3】108。所需的分枝因子是所以 KBR = 6.34.43】108 = 1.42】。4 讨论公式（10）和（12）为光电流和光电压考虑染料敏化细胞的实验结果（10 的关系将因此而被转换（SR-M =反向金属接触反应速率）：JPH-半乳糖苷介绍尔瓦尼细胞的光，获得，因为空间电荷消失4.1 纳米结构和孔隙度在两件事情会改变这种情况下，作为与功能比较上面讨论的纳米结构的细胞。一将内的二氧化钛薄膜的空间电荷层会发展，其中的宽度将决定
15、其电荷载体浓12度（当然，它的尺寸）。第二将电子反向反应与碘化在电解液（速率 SR）的物种会出现在 TiO2 的界面。催化条件和电在界面的领域目前可能改变较上述定义的纳米细胞。4.2 动态模型与结模型已经是我们的简化热力学因素（关系（1）（3）表明，它可能无法创建在二氧化钛的光诱导化学势（3）第三个任期）没有黑暗的碘/碘化氧化还原氧化还原电位作为参考（符号相反关系中的第二个任期的潜力（3）。事实上，这两种解释都需要来形容 photopotential 一代的整体机制。然而，路口的模式，它强调一个黑暗的潜力形成光生化学的正面接触电子的电荷补偿和photopotential 的能源供应代11，更容易强调我们的理论分析。也支持这一结论在反应动力学速率常数的影响（KR，SR）的 photopotential（10）正面接触。4.3 光伏确定机制任何一个电极会是“整顿”，从而导致比较大 photopotentials 的任何接触，因为描述关系（12）。如果存在，例如，铂正面接触，添加碘化钾溶液碘（SR变得非常大），这将是必要的维持一个细胞通过背接触电流，光电流马上会崩溃（10），以及 photopotential（12）。5 展望与拟议的简化公式，指定关键参数和它们
