染料敏化太阳能电池光阳极TiO_2薄膜的研究进展

染料敏化太阳能电池光阳极TiO 2薄膜的研究进展3

黄娟茹1,谭　欣1,2,于　涛1,赵　林2,吴天U 2

(1　天津大学化工学院,天津300072;2　天津大学环境科学与工程学院,天津300072)

摘要 在概述染料敏化太阳能电池工作原理基础上,着重分析电池光阳极TiO 2薄膜的特性,并指出该薄膜在电池中所起的作用:负载染料、收集光生电子、分离电荷和传输光生电子;继而从表面修饰、离子掺杂、量子点敏化、制备复合薄膜、设计微观有序空间结构、设计核壳结构以及多手段共改性等方面对TiO 2薄膜改性手段进行综述,并详细分析改性手段优化染料敏化太阳能电池性能的原因;最后,提出应把优化光阳极TiO 2薄膜制备工艺及探讨薄膜接触面工作机理等作为今后的研究重点。

关键词 TiO 2　

染料敏化太阳能电池(DSSCs )　能量转化效率　光阳极　电荷复合Progress in Photoanode TiO 2of Dye 2Sensitized Solar Cells

HUAN G J uanru 1,TAN Xin 1,2,YU Tao 1,ZHAO Lin 2,WU Tianyu 2

(1　School of Chemical Engineering and Technology ,Tianjin University Tianjin 300072;2　School of Environmental Science and

Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072)

Abstract The work principle of dye 2sensitized solar cells is introduced ,and based on TiO 2films characteristics in dye 2sensitized solar cells ,three kinds of role for films :loading dyes ,collecting photon 2activated electrons ,detac 2hing electric charge and transferring photon 2activated electrons ,are pointed out.The modified methods are used to deal with TiO 2film ,such as surface modification ,ion doping ,quantum dot sensitization ,hybrid film ,designing mi 2crocosmic and ordered structure ,core 2shell structure ,co 2processing methods etc ,and which optimize the perfor 2manc 2es of DSSCs are analyzed and reviewed.In the end ,optimizing the preparation technique of TiO 2films and researching the work mechanism of films contact surface are provided as f uture research points.

K ey w ords titanium dioxide ,dye 2sensitized solar cells ,energy conversion efficiency ,photoanode ,charge re 2combination

　3国家自然科学基金(20973124)

　黄娟茹:女,1979年生,博士研究生,主要从事纳米材料光电性能研究　Tel :022*********　E 2mail :lisatoo.yu @

0　引言

20世纪科学家曾预测,地球上化石能源在21世纪末将

消耗殆尽,能源短缺和环境恶化使人类生存和社会发展都面

临严峻挑战。因此,寻求环境友好、清洁和可再生的绿色能源成为全球关注的焦点。太阳能作为一种绿色环保能源,吸引了全世界的关注,如何把太阳能转化成可利用能源形式已成为当今亟需解决的一大研究课题。

1991年瑞士洛桑高等工业学院(EPFL )的Gr ztel 研究

组[1]利用联吡啶钌(Ⅱ

)配合物敏化纳米晶TiO 2多孔膜为光阳极,组装出光电转换效率为7.1%～7.9%的染料敏化太阳能电池(Dye 2sensitized solar cells ,DSSCs ),开辟了太阳能电池研究的全新领域。1993年该小组再次制备出光电转化效率超过10%的DSSCs [2],其制作工艺简单且成本仅为传统硅

太阳能电池的1/5～1/10,因此极有可能取代传统硅太阳能电池成为未来太阳能电池的发展主导。本文以DSSCs 的光阳极TiO 2薄膜研究为主线,综述了目前国内外TiO 2薄膜的研究进展,并提出了DSSCs 的TiO 2薄膜今后的研究重点。1　DSSCs 工作原理

染料敏化太阳能电池由光阳极(工作电极)、电解质和光

阴极(对电极)3部分组成(如图1所示)。光阳极为在导电玻璃(玻璃基体上涂F TO 或ITO 膜)上涂覆TiO 2薄膜,后对其进行染料敏化;电解质常为I -/I 3-的液态电解质;光阴极常为外层镀Pt 的导电玻璃,这3部分有机结合密封组装形成DSSCs 。

其工作原理为:在太阳光照射下,吸附在TiO 2薄膜上的染料(S )吸收光子由基态跃迁到激发态(即电荷分离态),激发态染料(S 3)很快将电子(e )注入到TiO 2导带中而生成氧化态染料(S +),该电子迅速到达TiO 2薄膜和导电玻璃的界面,经由外电路流向光阴极,S +则从电解质溶液I -中获得电子快速重生,而流入光阴极的电子则与扩散来的电解质溶液I 3-相遇而被氧化成I -完成整个循环,同时,TiO 2导带中电子易与S +和进入TiO 2膜中I 3-发生复合,造成电流损失。这种光能直接转换成电能,在电池内部并没有发生化学变化。正如Gr ztel 所描述,DSSCs 就像人工合成的树叶,植物