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1、学号2011本科毕业论文学 院 物理电子工程学院 专 业 应用物理学 年 级 2011级 姓 名 论文题目 染料敏化太阳能电池金属硫化物 对电极的研究 指导教师 职称 讲师 2015年 5月 10日目 录摘要1Abstract2引言31研究背景和价值42染料敏化太阳能电池的结构52.1染料敏化剂62.2纳米半导体薄膜62.3电解质72.4对电极73染料敏化太阳能电池工作原理84金属硫化物对电极的研究与扩展94.1制备CuInS2纳米晶薄膜104.2组装DSSC104.3CuInS2对电极对DSSC影响研究10总结与展望11参考文献11 染料敏化太阳能电池金属硫化物对电极的研究学生姓名：* 学号
2、：201*单位：物理电子工程学院专业：应用物理学 指导老师：* 职称：讲师摘要：由于染料敏化太阳能电池价格低廉，对环境损害极小，且光电效率转化高，因此成为学术界研究重点。本文介绍了染料敏化太阳能电池的结构及工作原理，简要说明了对电极的作用，并介绍了对电极的特点及制备方法，重点阐述了金属硫化物对电极的研究。关键词：染料敏化太阳能电池；对电极；金属硫化物Study of metal sulfide counter electrodes for dye sensitized solar cellsAbstract: Because the dye-sensitized solar cell pric
3、e is low , the damage to the environment is minimal, and the photoelectric conversion efficiency is high, it becomes the focus of academic research. This article describes the structure and working principle of dye-sensitized solar cells, it also gives a brief description of the role of counter elec
4、trode. And it describes the characteristics and preparation method of counter electrode. It focuses on the study of metal sulfide electrode.Keywords: dye sensitized solar cell; counter electrode; metal sulfides引言 随着科技的迅速发展，人们对能源的需求一日日渐增，以至于很多危害人类健康的能源不得不被开发利用起来，然后就有了现在令每个国人引以为耻的雾霾。正是这种不平衡的供求关系迫切要求我们
5、寻找绿色环保的新能源。我们生活在毒气雾霾里，当然不能让我们的后代也深受雾霾毒害，所以开发新的环保能源刻不容缓。太阳能是万物生命之根本，是各种能源的源泉，如何利用好太阳能这种最环保最可靠的能源逐渐成为科学界研究的重点。目前人们生活中已经接触到很多关于太阳能方面的应用，也是深受其益，比如太阳能热水器，太阳能路灯，太阳能汽车等等，节省了不少能源的同时也让人们赞不绝口。这些关于太阳能的应用基本都是通过太阳能电池发电进而产生其他能源，那么问题来了，太阳能电池这么完美有没有缺点与担忧呢？答案是肯定的，常用的单晶硅太阳能电池不具有持久的热稳定性，转化效率也不太高，并且成本相对比较高。所谓时势造英雄，染料敏化
6、太阳能电池作为太阳能电池中的英雄应运而生。 染料敏化太阳能能电池英文缩写DSSC,它工艺制备简单，原材料相对充足，染料敏化太阳能电池成本低并且还具备太阳能电池其他优点，因此逐渐让科学家对它产生了研究的兴趣。DSSC由染料敏化剂、纳米半导体薄膜、电解质以及对电极四大部分组成，现在的对电极材料多由稀少且昂贵的铂电极组成，很明显这与本身主打低廉价格的染料敏化太阳能电池初衷有所不同，所以寻找更加低廉理想的对电极材料成为了研究的新方向。本文本文首先介绍了染料敏化太阳能电池构造及工作原理，其次介绍了其当前研究进展与应用；重点讨论了用金属硫化物作为电极对DSSC的影响以及当前的各种制备方法。最后对未来金属硫
7、化物作染料敏化太阳能电池对电极的应用做了展望。1研究背景和价值一个经典的发现光电效应的诞生，开启了一个光电研究的新革命。经过了一代代科学家智慧的结晶光电化学研究已经越来越成熟并呈现一幅蒸蒸日上的大好前景。刚图1太阳能电池效率发展趋势开始对光电转化的研究还比较浅显，光电转化效率不尽人意。但自从1970年以后，随着航天范畴的发展以及其对光电转化率的严格需求硅光太阳能电池光电效率突飞猛进已经突破20%。然而科学在进步，20%已经不能满足人类的需求，此后新型太阳能光能电池以其更高的光电转化效率开始问世人间。薄膜太阳能电池成为这些新型太阳能电池的主力军，所谓薄膜包括化合物半导体薄膜、硅薄、有机膜等等1。
8、以上图1是近年来各种太阳能电池的光电转化效率发展趋势图。以前的太阳能电池与新兴染料敏化太阳能电池各有各自的优势，也都有各自的不足与短板，但是综合各方面因素DSSC以其廉价环保的巨大优势从而备受科学界的青睐。如果DSSC能够进一步延长使用寿命，使封装更加简化以及取得更高的光电转化效率，那么我相信不久的未来DSSC必将一跃成为太阳能电池中的霸主。2染料敏化太阳能电池的结构由于太阳光的照射我们得以每天生活在光明中，在这些照射到我们身边的阳光里，有我们看得见的可见光，也有红外光线以及紫外光线等非可见光2。其中可见光所占比例较大，其他光相对较少。即便如此，由于带隙的原因据大多数的可见光都不会被吸收 ,而
9、位于紫外光波段的光谱却深深地吸引了太阳能电池的眼球，所以为了更图2染料敏化太阳能电池的基本结构示意图大程度的让可见光也被吸收人们便把染料分子吸附在Ti02表面上，这样由于染料分子的作用更多的太阳光被吸收掉从而光利用率发生显著提高。染料敏化太阳能电池最初的构想起源于叶绿体光合作用原理，染料分子对应于叶绿体中的叶绿素来吸收太阳光，光阳极部分采用吸附染料的纳米多孔晶薄膜，电极部分采用镀铂的导电玻璃，并通过选用适当的氧化还原电解质，来实现太阳能电池的光电转换3。染料敏化太阳能电池的基本结构如图2所示。2.1染料敏化剂作为染料敏化太阳能电池的核心之一染料的作用是用来收集能量。能量是支撑整个反应过程得以持
10、续的前提所在，染料就是DSSC的能量之源。染料分子提供能量的方式并非燃烧而是被吸附到半导体上然后通过吸收光能的方式来收集能量，染料分子吸收光能后处于基态的电子由于受光能激发从而向更高能级的激发态跃迁，这样注入到半导体导带中的激发态电子便产生了电荷分离。染料的选择也要具备一定的标准，通常需要满足下面四个条件 ,(1)首先要满足的是大范围的光谱响应区域，光谱响应范围越宽则能收集的光子能量也会相应增多，但是一般情况下需要的太阳光波长不超过920nm。(2)其次就是对染料分子的要求，染料分子的选择要求一是具备超强的光稳定性，不能因为太阳光得照射而发生分解或者破化，从而减少电池寿命，需要能耐得住强光照射
11、而不易被光降解，二是具有超强的转换能力，所谓转换能力是指由激发态向氧化态或者由氧化态向激发态之间的转换力，具体点就是可以承受上亿次以及以上的氧化还原过程4。(3)另外就是作为染料分子其发生作用的场所要有保证，染料分子是在光阳级表面上开始自己的工作的，因此要求其具有很强的吸附能力，并且吸附到光阳级表面后还能够快速地把激发态电子注入纳米晶半导体的导带中。(4)最后就是作为染料分子要能维护它的使命即使电子循环再生，染料分子将激发态电子注入导带后，自身便缺少电子成为氧化态，此时要求其具有很高的氧化还原电势，进而把电解质溶液中的电子吸收后补全所丢失的电子保证了循环再生5。2.2纳米半导体薄膜 在DSSC
12、中，如果说染料分子吸收太阳光进而提供能量是一个生产流水线的话那么纳米晶多孔薄膜就代表了生产车间为整个生产过程提供了场所。纳米晶多孔半导体薄膜是以光阳极的身份发挥着承上启下的桥梁作用，究其主要工作通俗点就是负责吸附染料分子与传导光生载流子，除了吸附传导作用外由于薄膜由很多个晶粒组成，当太阳光照射时这些晶粒之间会发生互相反射从而增大了与太阳的接触面积进一步吸收了太阳光6。从这些方面上来讲染料敏化纳米晶半导体电极增大了与太阳光的接触面的同时传导光生载流子并对光电转换起着举足轻重的作用，因此称它是DSSC的核心部件之一作用使然。它的任何结构的变化都会严重的影响到染料敏化太阳能电池的效率以及工作是否正常
13、，因此对光阳极材料做出理性的判断与实验不容小觑。纳米晶多孔半导体薄膜作为光阳级必须具备一定的标准，颗粒过大或者过小都会影响光电转化效率。另外比如比表面积的大小、粒子间结合程度的深浅以及孔分布的分析等都必须作为考虑的对象细细研究7。那么究竟哪些材料适合去制备孔纳米晶薄膜呢，经实验分析有很多金属类化合物都可以满足条件，比如像不经常见的含硒化物，廉价且容易获得的含硫化物，以及后来发现的含钙铁矿等等。在所有DSSC电极材料中备受科学家青睐的研究常客莫过于纳米晶Ti02，事出有因，纳米晶Ti02之所以脱颖而出一来是由于其具备及其廉价的成本，二来是因为其无伤害特环保的特色，三来是其不怕光学以及化学等腐蚀，
14、更重要的是具有优良的转换效率等特大好处。但也不是每种纳米晶Ti02都是光阳级材料的最佳选择，每一种Ti02晶型又有其自己自身特点，综合几类不一样的Ti02晶型来说，能够最终来充当DSSC光阳极材料的不二选择恐怕要数锐钦矿型Ti02。随着科学的进步与发展现在发现好多种途径都可以用来制作纳米晶Ti02多孔薄膜，比如化学沉积法、水热法等暂不一一详细介绍8。2.3电解质在DSSC中，电解质可以看做染料敏化太阳能电池的血液，是决定整个电池是否能正常工作的关键一环。它不仅仅极大的关系到DSSC的光电转化效率问题，并且电解质的自身稳定性还跟DSSC的长久稳定性密切的联系起来。电解质就是内部电路的导线，它的功
15、能就是传导电子，当然所传导的电子来源于氧化还原反应过程中所转移的电子。整个氧化还原过程是这样的，首先处于高价态具有氧化性的染料分子发生还原反应而被电解质还原成低价态使其返回基态，然后被氧化的电解质在对电极处得到电子进而再次被还原成低价态，这样便形成一个光电反应循环9。用来测试氧化还原电对是否适合的标准一是是否具有和染料以及半导体能级能互相结合的氧化还原电势，二是是否可以迅速的将高价态染料还原成基态。随着研究的深入以及氧化还原电对的引入使得现在的电解质体系变得相当的高效，并且电解质的种类也开始变得多种多样10。2.4对电极 前面说到纳米晶半导体薄膜作为DSSC的光阳极部分，那么光阴极部分毫无疑问就是DSSC的对电极，对电极可以看做染料敏化太阳能电池的
