染料敏化太阳能电池设计

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1、摘摘 要要 太阳能是新能源开发利用最活跃的领域 目前市场上的太阳能电池主要是 单晶硅和多晶硅两种 但这两种太阳能电池最大的问题在于工艺条件苛刻 制 造成本过高 不利于广泛应用 而上世纪 90 年代出现的纳米 TiO2有机半导体复 合太阳能电池和有机 聚合物太阳能电池 工艺条件简单 成本较低 有可能成 为 21 世纪太阳能电池的新贵 染料敏化太阳能电池价格相对低廉 制作工艺简单 拥有潜在的高光电转 换效率 染料敏化太阳能电池极有可能取代传统硅系太阳能电池 成为未来太 阳能电池的主导 关键词关键词 太阳能电池 染料敏化 二氧化钛 纳米 TiO2 目目 录录 摘摘 要要 I 目目 录录 II 第一章

2、第一章 概述概述 1 1 1 染料敏化太阳能电池概述 1 1 1 1 染料敏化太阳能电池概念 1 1 1 2 染料敏化太阳能电池的发展状况 1 1 1 3 染料敏化太阳能电池的前景和困难 2 第二章第二章 染料敏化太阳能电池的工作机理染料敏化太阳能电池的工作机理 4 2 1 染料敏化太阳电池的结构与原理 4 2 1 1 染料敏化太阳能电池结构 4 2 1 2 染料敏化太阳电池的原理 4 2 2 染料敏化太阳能电池各组成部分的进展 5 2 2 1 光阳极材料 5 2 2 2 光阴极材料 7 2 2 3 电解质 7 2 2 4 敏化剂 8 2 3 染料敏化太阳能电池有潜力的几类 8 2 3 1 染

3、料敏化纳米晶太阳能电池 8 2 3 2 纤维状无 TCO 染料敏化太阳能电池 8 2 3 3 利用有机物来提高转换效率 9 第三章第三章 染料敏化太阳能电池的制作过程染料敏化太阳能电池的制作过程 10 3 1 染料敏化太阳能电池的制作步骤 10 3 1 1 二氧化钛膜的制备 10 3 1 2 利用天然染料把二氧化钛膜着色 12 3 1 3 制作反电极 12 3 1 4 组装电池 13 3 1 5 注入电解质 13 第四章第四章 染料敏化纳米晶太阳能电池染料敏化纳米晶太阳能电池 15 4 1 光电化学性质的测试装置及几个重要参数 15 4 1 1 两电极光化学电池 15 4 1 2 电流 电压特

4、性 15 4 1 3 半导体的导带及价带电位的测试 16 第五章第五章 总结与展望总结与展望 19 总结 19 展望 19 致致 谢谢 20 参考文献参考文献 21 III 29 1 29 第一章第一章 概述概述 1 1 染料敏化太阳能电池概述染料敏化太阳能电池概述 1 1 1 染料敏化太阳能电池概念染料敏化太阳能电池概念 染料敏化太阳电池 dye sensitized solar cell DSSC 主要是模仿光合作用原 理 研制出来的一种新型太阳电池 其主要优势是 原材料丰富 成本低 工 艺技术相对简单 在大面积工业化生产中具有较大的优势 同时所有原材料和 生产工艺都是无毒 无污染的 部分

5、材料可以得到充分的回收 对保护人类环 境具有重要的意义 但光电转换效率较低等问题阻碍了其广泛应用 光阳极的 性质直接影响 DSSC 光电转换的能力和效率 研究制备高效的光阳极是该领域 迫切需要研究的重点问题 染料敏化纳米晶太阳能电池 DSSCs Namo Crystallion Dye Sensitized Solar Cells 主要由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜 敏化 剂分子 电解质和对电极组成 其中制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上的纳 米晶半导体薄膜构成光阳极 完全不同于传统硅系结太阳能电池的装置 染料敏化太阳能电池的光吸收 和电荷分离传输分别是由不同的物质完成的

6、光吸收是靠吸附在纳米半导体表 面的染料来完成 半导体仅起电荷分离和传输载体的作用 它的载流子不是由 半导体产生而是由染料产生的 1 1 2 染料敏化太阳能电池的发展状况染料敏化太阳能电池的发展状况 进入 20 世纪以来 伴随着人类工业文明的迅速发展 煤 石油 天然气等 矿物资源日益枯竭 由此引发的能源危机和环境污染已成为亟待解决的严重问题 因此人们迫切需要寻找其他新的可替代能源 太阳能具有取之不尽 用之不竭 安全可靠 无污染 不受地理环境制约等诸多优点 愈来愈受到广泛重视 自 20 世纪 60 年代起 科学家发现染料吸附在半导体上 在一定条件下能 产生电流 这种现象成为光电化学电池的重要基础

7、20 世纪 70 年代到 90 年代 科学家们大量研究了各种染料敏化剂与半导体纳米晶光敏化作用 研究主要集 中在平板电极上 这类电极只有表面吸附单层染料 光电转换效率小于 1 直到 1991 年 瑞士洛桑高等工业学院 Gr tzel 研究小组将高比表面积的纳米 晶多孔 TiO2 膜作半导体电极引入到染料敏化电极的研究当中 这种高比表面积 的纳米晶多孔 TiO2 组成了海绵式的多孔网状结构 使得它的总表面积远远大于 其几何面积 可以增大约 1000 2000 倍 能有效地吸收阳光 使得染料敏化光 电池的光电能量转换率有了很大提高 其光电能量转换率可达 7 1 入射光子 电流转换效率大于 80 1

8、993 年 Gr tzel 等人再次报道了光电能量转换率达 10 的染料敏化纳米太 阳能电池 1997 年 其光电能量转换率达到了 10 11 1998 年 Gr tzel 等 人采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态染料敏化纳米晶太阳能 电池研制成功 转换效率只有 0 74 但在单色光下其电转换效率达到 33 从 而引起了全世界的关注 2004 年 韩国 JongHakKim 等使用复合聚合电解质全固态染料敏化纳米晶 太阳能电池 其光电转换效率可达 4 5 2004 年 日本足立教授领导的研究组 用 TiO2 纳米管做染料敏化纳米晶太阳能电池电极材料其光电转换效率可达 5 随后用 T

9、iO2 纳米网络做电极其光电转换效率达到 9 33 2004 年 日立制作所试制成功了色素 染料 增感型太阳能电池的大尺寸 面板 在实验室内进行的光电转换效率试验中得出的数据为 9 3 2004 年 染 料敏化纳米晶太阳能电池开发商 PeccellTechnologies 公司 Peccell 宣布其已开发 出电压高达 4V 与锂离子电池电压相当 的染料敏化纳米晶太阳能电池 可作为 下一代太阳能电池 有可能逐渐取代基于硅元素的太阳能电池产品 在产业化方面 染料敏化纳米晶太阳能电池研究取得了较大的进展 据报 导 澳大利亚 STA 公司建立了世界上第一个面积为 200 染料敏化纳米晶太阳 电池显示

10、屋顶 欧盟 ECN 研究所在面积大于 1cm2 电池效率方面保持最高纪录 8 18 2 5c 5 8 100c 在美国马萨诸塞州 Konarka 公司 对以透明导电 高分子等柔性薄膜等为衬底和电极的染料敏化纳米晶太阳电池进行实用化和产 业化研究 期望这种 2009 年太阳能电池主要应用于电子设备 如笔记本电脑 目前纳米晶体太阳能电池技术在海外已开始商品化 初期效率约 5 染料敏化太阳电池的发展历史显示 这种电池制作工艺简单 成本低廉 预计只有晶体硅太阳电池成本的 1 10 1 5 引起了各国科研工作者的极大关 注 使人们看到了染料敏化太阳电池的广大应用前景 1 1 3 染料敏化太阳能电池的前景

11、和困难染料敏化太阳能电池的前景和困难 与传统的硅系太阳电池相比 染料敏化纳米晶太阳电池有良好的优势 第一 制备工艺简单 成本低 与硅系太阳电池相比 染料敏化电池没有 复杂的制备工序 也不需要昂贵的原材料 产业链不长 容易实现成本低的商 业化应用 据估计 DSSC 太阳电池的制造成本只有硅系太阳电池的 1 10 1 5 第二 对环境危害小 在硅电池制造中 所用的原料四氟化碳是有毒的且 需要高温和高真空 同时这一过程中需要耗费很多的能源 而 DSSC 电池所用 的二氧化钛是无毒的 对环境没有危害不存在回收问题 第三 效率转换方面基本上不受温度影响 而传统晶体硅太阳电池的性能 随温度升高而下降 3

12、29 第四 光的利用效率高 对光线的入射角度不敏感 可充分利用折射光和 反射光 DSSC 太阳电池虽然有光明的前景 但对它的研究仍在起步阶段 还有较多 难以克服的缺陷使其不能被广泛应用 DSSC 目前研究较有成果的是液态电解质 电池 但这种电池存在一系列问题 如容易导致染料的脱附 容易挥发给密封 性带来问题 含碘的液态电解质具有腐蚀性 且本身存在不逆反应导致电池寿 命缩短 解决这个问题的办法就是研制固态染料敏化电池 但目前这种固态电 池的仍处于研究阶段 光电转换效率很低 5 29 第二章第二章 染料敏化太阳能电池的工作机理染料敏化太阳能电池的工作机理 2 1 染料敏化太阳电池的结构与原理染料敏

13、化太阳电池的结构与原理 染料敏化太阳电池与传统硅太阳电池原理不同 TiO2 属于宽带隙半导体 带 隙宽度为 3 2eV 具有较高的热稳定性和光化学稳定性 不能被可见光激发 但将合适的染料吸附到这种半导体的表面上 借助于染料对可见光的强吸收 可以将宽带隙半导体拓宽到可见区 这种现象称为半导体的敏化作用 载有染 料的半导体称为染料敏化半导体电极 TiO2 不能被可见光激发 因而要在 TiO2 表面吸附一层对可见光吸收特性良 好的敏化剂 在可见光作用下 敏化剂分子通过吸收光能跃迁到激发态 由于 激发态的不稳定性 敏化剂分子与 TiO2 表面发生相互作用 电子很快跃迁到较 低能级 TiO2 的导带 进

14、入 TiO2 导带的电子将最终进入导电膜 然后通过外回 路 产生光电流 同时 处于氧化态的染料分子被电解质中的碘离子 I 还原回 到基态 而 I 被氧化为 I3 I3 很快被从阴极进入的电子还原成 I 构成了一个循 环 2 1 1 染料敏化太阳能电池结构染料敏化太阳能电池结构 染料敏化纳米晶 DSSC 太阳电池的结构示意如 图 2 1 所示 在透明导电 玻璃 FTO 上镀一层多孔纳米晶氧化物薄膜 TiO2 热处理后吸附上起电荷 分离作用的单层染料构成光阳极 对电极 阴极 由镀有催化剂 如铂 Pt 的导 电玻璃 中间充有具有氧化还原作用的电解液 经过密封剂封装后 从电极引 出导线即制成染料敏化纳

15、米晶太阳电池 图 2 1 DSSC 太阳电池结构 从结构上来看 DSSCs 就像人工制作的树叶 只是植物中的叶绿素被敏化剂 所代替 而纳米多孔半导体膜结构则取代了树叶中的磷酸类酯膜 染料敏化纳米晶太阳能电池 主要由制备在导电玻璃或透明导电聚酯片上 的纳米晶半导体薄膜 敏化剂分子 电解质和对电极组成 其中制备在导电玻 璃或透明导电聚酯片上的纳米晶半导体薄膜构成光阳极 完全不同于传统硅系 结太阳能电池的装置 染料敏化太阳能电池的光吸收和电荷分离传输分别是由 不同的物质完成的 光吸收是靠吸附在纳米半导体表面的染料来完成 半导体 仅起电荷分离和传输载体的作用 它的载流子不是由半导体产生而是由染料产 生

16、的 2 1 2 染料敏化太阳电池的原理染料敏化太阳电池的原理 染料敏化纳米晶 DSSC 电池的工作原理是当入射光照射到电极上时 染料 分 子 Dye 吸收光子跃迁到激发态 由于激发态不稳定 释放的电子快速注入到紧 邻的 TiO2 的导带上 进入 TiO2 导带中的电子最终进入导电膜 然后通过外回 路产生光电流 被氧化了的染料分子通过电解液扩散过来的 I 还原回到基态 使染料分子得到再生 I 被氧化成 I3 同时电解质中的 I3 扩散回到对电极被电 子还原成 I 然后 DSSC 电池在光作用下将进行下一个循环 2 2 染料敏化太阳能电池各组成部分的进展染料敏化太阳能电池各组成部分的进展 2 2 1 光阳极材料光阳极材料 光阳极材料 光敏材料敏化的半导体光阳极对该电池的性能起到至关重要 的作用 成为目前研究的热点 敏化的 TiO2 电极是染料敏化太阳能电池的关键 部分 可以说其性能直接关系到太阳能电池的总效率 染料敏化太阳能电池中 TiO2 光阳极所用的纳米晶薄膜分为致密 TiO2 薄 层 纳米多孔结构 TiO2 薄膜 其中致密薄膜是早期染料敏化太阳能电池中 TiO2 光阳极所采用的 因其