染料敏化太阳电池研究进展及应用前景太阳能科学与工程系染料敏化太阳电池研究组：徐顺建博士 演讲大纲1.染料敏化太阳电池的概况2.染料敏化太阳电池的特点及应用3.提升染料敏化太阳电池竞争力的主要途径 1.染料敏化太阳电池的概况 单电池、组件及户外系统n单电池n组件n户外系统 1991年在Nature发表的论文技术突破：在光电极上引入多孔二氧化钛层转换效率：7.1%2010年最高转换效率突破12% 染料敏化太阳电池的结构Ø典型染料敏化太阳电池组成：（1）光电极：TCO+多孔二氧化钛层（2）敏化剂：染料(N719/N3)+溶剂（3）电解质：I-/I3-(LiI/I2)+溶剂（4）对电极：TCO+Pt催化层 染料敏化太阳电池的工作原理 电荷分离机制Ø由由内建电场内建电场实现电荷分离实现电荷分离半导体材料即参与电荷分离，又参半导体材料即参与电荷分离，又参与光子捕获与光子捕获P-N结太阳电池结太阳电池染料敏化太阳电池染料敏化太阳电池Ø由光合作用过程的由光合作用过程的动力学竞争动力学竞争实现电荷分离实现电荷分离半导体材料仅参与电荷分离，不参与光子捕获半导体材料仅参与电荷分离，不参与光子捕获 Ø目前从事染料敏化太阳电池研究的国家主要包括：澳大利亚、瑞士、德国、日本、美国、中国、英国等Ø无论从专利的申请数还是论文的发布数，日日本最为活跃。
本最为活跃Ø中国在染料敏化太阳电池的基础研究和产业化研究上都与世界研究水平相接近 中国对染料敏化太阳电池研究的贡献Ø新思路、新方法新思路、新方法 如中国科学院物理所孟庆波课题组提出的环境友好的复合电解质；清华大学林红课题组提出的新型高效低成本叠层柔性薄膜太阳电池等Ø材料制备及合成材料制备及合成 在染料合成技术、纳米半导体薄膜研究、电池密封和电极研制上也取得一定的成果，如中国科学院长春应用化学研究所 王鹏课题组在新型染料研究和离子液态电解质上取得突破，实现自主研发染料C101，效率达到11％，基于混合离子液态电解质电池的效率达到8.2％Ø太阳电池组件太阳电池组件 大面积电池组件(40x60 cm ) 转换效率达5.7%；中科院等离子体物理研究所戴松元课题组建成的国内首个500瓦染料敏化纳米太阳电池示范电站，转换效率5%中国国家重点基础研究计划和纳米专项中国国家重点基础研究计划和纳米专项(973项目项目)先后三次对染料敏化太阳电池进先后三次对染料敏化太阳电池进行立项，先后在基础科学问题和关键技术问题上取得突破：行立项，先后在基础科学问题和关键技术问题上取得突破： 2.染料敏化太阳电池的特点及应用 Ø材料成本较低、制备工艺简单Ø转换效率随温度上升而提升——不同于硅基太阳电池Ø电池两面均可以吸收光——有利于吸收散射光Ø制备出半透明或不同颜色的电池——装饰功能强Ø质量轻以及可制成柔性器件——便于携带Ø能源回收期较短——小于1年Ø较高的转换效率——最高转换效率超出12%（数据来源：2008年M. Grätzel教授的演讲教授的演讲）Roll-to Roll 技术太阳电池盆景通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶太阳电池背包染料敏化太阳电池的特点 Roll-to Roll制造技术染料敏化太阳电池的特点 转换效率随温度上升而提升染料敏化太阳电池的特点 染料敏化太阳电池作为装饰品做出的“Power Dressing”染料敏化染料敏化太阳电池太阳电池装饰功能染料敏化太阳电池的特点 染料敏化太阳电池制成的“太阳叶”太阳叶结构通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶染料敏化太阳电池的特点 染料敏化太阳电池的特征染料敏化太阳电池的特点 染料敏化太阳电池制成的充染料敏化太阳电池制成的充电器电源电器电源质量轻、便于携带染料敏化太阳电池的特点 染料敏化太阳电池在军事领域的应用（美国） 染料敏化太阳电池在汽车上的应用染料敏化太阳电染料敏化太阳电池制半透明汽车池制半透明汽车挡板挡板 染料敏化太阳电池作为屋顶的应用 染料敏化太阳电池作为幕墙的应用 染料敏化太阳电池在野外帐篷的应用 产业化情况Ø1991年染料敏化太阳电池的转换效率实现飞跃式的提升Ø1992年至1999年间，以德国光伏研究所(INAP)和澳大利亚STI公司为典型的产业化研究机构进行了产业化前期的探索性研究产业化前期的探索性研究Ø2001年澳大利亚STI公司建立了世界上首条染料敏化太阳电池中上首条染料敏化太阳电池中试线试线Ø2003年澳大利亚Dyesol-STI公司完成200 m2 染料敏化太阳电池显示屋顶，集中体现了未来工业化的前景Ø2004年底，中国科学院等离子体物理研究所建立了500 W 染料敏化太阳电池示范系统，并保持长期有效的运行，为今后实现产业化打下了基础Ø2009年英国G24i 在全球推出首批商品化染料敏化太阳电池组件首批商品化染料敏化太阳电池组件，其生产线生产能力为30百万瓦 G24 Innovation （UK）产品 2004年由中科院等离子体物理研究所建成的国内首个500瓦染料敏化纳米太阳电池示范电站转换效率：5%（数据来源：中科院等离子体物理研究所） 2008年世博览会展出的柔性染料敏化太阳电池组件（ 数据来源：Yoshida 教授的演讲） 2010年美国光付研讨会展示的染料敏化太阳电池组件 3. 提升染料敏化太阳电池竞争力的主要途径 Ø进一步提升染料敏化太阳电池的转换效率进一步提升染料敏化太阳电池的转换效率 短路电流的改善 开路电压的改善 填充因子的改善Ø进一步改善染料敏化太阳电池的稳定性进一步改善染料敏化太阳电池的稳定性 液态电解质的替换——准固态及固态电解质的开发 无机敏化剂的应用——量子点敏化材料Ø进一步减低染料敏化太阳电池的成本（材料方向）进一步减低染料敏化太阳电池的成本（材料方向） 对电极Pt取代材料 天然敏化剂如何进一步提升染料敏化太阳电池竞争力？主要思路：主要思路： 1. 短路电流的改善短路电流的改善（1）二氧化钛光电极 加强入射光的路径强度——散射层的引入散射层的引入 改善二氧化钛颗粒之间以及颗粒与TCO的接触——TiCi4水溶液后处理 增加染料的吸附量——增加二氧化钛的表面积 减少电荷的复合——用金属氧化物进行隔离用金属氧化物进行隔离（2）染料 染料提纯——发展新的染料提纯技术 提高染料的吸光率——研制新型染料2. 开路电压的改善开路电压的改善 减少暗电流——光电极的表面修饰 TiO2导带负移3. 填充因子的改善填充因子的改善 减小电池的内阻——TCO的内阻的内阻、对电极催化层修饰等转换效率改善主要途径转换效率改善主要途径 例子1：散射层的引入散射层（颗粒尺寸约100nm的TiO2颗粒） 例子2：用金属氧化物进行隔离 例子3：减少TCO的内阻 量子点敏化材料的应用——以取代染料常用的量子点有：CdS、PbSe、PbS、PbTe、 InAs、GaSb和Si等量子点敏化太阳电池何为量子点？何为量子点？材料的尺寸达到10nm以下的窄禁带半导体具有两个明显的特点：能带分裂为不连续的能级能带分裂为不连续的能级；多激子效应多激子效应量子点的形成的两种方法：量子点的形成的两种方法：Ø基于分子束外延生长的物理自组织化生长Ø基于溶液中胶体微粒的化学自组装形成.在TiO2纤维表面沉积的CdS量子点 例子例子1 1：北京大学物理电子研究所彭练矛研究小组采用一种简单的方法成功组装一种CdS量子点和TiO2纳米管阵列膜复合结构的光电极, 光电转换效率达到达到4.15%,开路光电压达到1.27 V,短路光电流达到7.82 mA/cm2，填充因子为0.578.。
例子例子2 2：J.chen等在碳纳米管上使用水热方法沉积ZnO纳米棒，然后浸入0.01M硝酸锌和0.01M的六次甲基四胺混合溶液，在高压灭菌器中95℃下加热10小时，将制备好的巯基乙酸capped-CdSe量子点（尺寸约4.5nm）安装到ZnO棒的表面，形成CdSe量子点敏化的ZnO电池，获得了1.46％的转换效率依次为ZnO纳米棒、 碳纳米管/ZnO 、敏化前、量子点敏化后的形貌 对电极Pt取代材料•有效的解决途径：有效的解决途径：为了探索合适的非Pt对电极，人们展开了大量艰辛的工作，并取得了一定的成绩，其中以碳材料为催化层构成的碳对电极已展现出一定的优势并具有巨大的应用潜力Pt对电极存在的是目前最常用的、性能最佳的对电极，其组装的染料对电极存在的是目前最常用的、性能最佳的对电极，其组装的染料敏化太阳电池仍然保持着最高转换效率的记录敏化太阳电池仍然保持着最高转换效率的记录•问题问题：作为一种贵金属，Pt的使用不仅与DSCs的低成本的初衷相违背，不利于产业化，而且Pt催化层存在易被腐蚀的现象，导致DSCs稳定性下降a)Pt对电极DSSC (b) 碳对电极DSSC 碳对电极SEM形貌 谢谢 谢谢 关注！关注！ 。