染料敏化纳米薄膜太阳能电池
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池物理科学与技术学院化学物理学交叉培养班张玲玲 2011213434 摘要染料敏化太阳电池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。
本文主要从染料敏化太阳能电池的原理和电解质来进行介绍。
关键词染料敏化太阳能电池原理制备一、染料敏化太阳能电池的基本结构染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、电极和导电基底等几部分组成。
纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为染料敏化太阳能电池的负极。
对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。
敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。
正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3/I-。
图1染料敏化太阳能电池的基本结构二、染料敏化太阳能电池的工作原理当太阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发，激发态染料分子将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，注入到导带中的电子迅速富集到导电玻璃面上，传向外电路，并最终回到对电极上。
而由于染料的氧化还原电位高于氧化还原电解质电对的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原。
然后氧化态的电解质扩散到对电极上得到电子再生，如此循环，即产生电流。
电池的最大电压由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定。
图2 染料敏化太阳能电池的工作原理示意图2.1纳米晶多孔薄膜作为太阳能电池半导体材料，首要条件为光照下性能稳定。
考虑到只有禁带宽度Eg ﹥ 3eV 的宽带隙半导体才满足这一条件，因此可以用作DSC 半导体材料的禁带宽度必须大于3eV 。
TiO2禁带宽度为3. 2eV ，是性能最优、使用最广泛的DSC 半导体电极材料。
光伏材料物理1_染料敏化太阳能电池2
卟啉系列和酞菁系列
R R
R R
N
N
N
N N
M
N N
N NMΒιβλιοθήκη NNNR
R
R
R
R = SO3-, OC5H11; M = H2, Zn, AlCl
A. Kay and M. Gratzel, et al J. Phys. Chem., 1993, 97, 6272. M.M. Ressler and R.K. Panday, Chemtech., 1998, 3, 39.
• Role of the TCO electrode in a DSSC
– Electrons transportation and collection
• Characteristics
– – – – –
I
T
High transmittance in visible region () High electrical conductivity () Thermal endurance () Corrosion resistance Energy level not higher than nanoparticle oxide
染料敏化太阳能电池
被引用已达12411次
1991 年瑞士洛桑高工 (EPFL)Grätzel 等，利用联 吡啶钌(Ⅱ)配合物染料和纳 米多孔TiO2薄膜制备的染料 敏化纳米薄膜太阳电池，获 得了 7.1%的光电转换效率。 这一突破性进展为研究染料 敏化纳米薄膜太阳电池开辟 了新天地，特别是对未来工 业化生产提供了新思路。 优点: 1.可以克服半导体本身只吸 收紫外光的缺点，使得电池 对可见光谱的吸收大大增加 2.可通过改变染料的种类得 到理想的光电化学太阳能电 池 3.大大降低生产成本，以利 于运用于日常生活中
染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池
染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池是目前新型太阳能电池技术中具有重要研究价值的两种类型。
两者在实现清洁能源利用方面都有着重要的意义。
首先，本文将分别介绍两种太阳能电池的工作原理和结构特点，然后比较两者的优缺点以及在未来应用前景方面的展望。
最后，将对两种太阳能电池的未来发展提出一些展望和建议。
染料敏化太阳能电池（DSSC）工作原理是利用染料敏化半导体膜，通过光生电子－空穴对，产生一个电子被注入导电材料的过程，从而产生电流。
DSSC的结构是由玻璃基底、导电玻璃、阳极（TiO2薄膜）、电解质、阴极（Pt）等组成的。
这种太阳能电池因其低成本、易制备、高转换效率等特点而备受关注。
有机太阳能电池（OPV）又称为塑料太阳能电池，其工作原理是利用有机半导体材料吸收光子后产生电子-空穴对，将电子注入到电极上，从而产生电流。
OPV的结构包括有机半导体薄膜、透明导电层、金属导电层等。
有机太阳能电池因其轻薄、柔性、低成本等特点，被认为是未来太阳能电池领域的发展方向。
两种太阳能电池在光电转换效率、稳定性、生产成本、材料寿命、材料丰富度等方面都有所不同。
DSSC的光电转换效率较高，但在稳定性和材料寿命方面存在一定的问题；而OPV在生产成本和可塑性方面具有优势，但转换效率较低。
两者的未来应用前景也不尽相同，DSSC适用于建筑一体化等大型应用领域，而OPV则适用于轻便、柔性的便携式设备。
未来，DSSC可以通过材料改性、器件结构优化等技术手段提高其稳定性和寿命，同时更多地探索高效、廉价的染料和电解质。
而OPV可以通过材料设计合成、工艺工程实现将提高转换效率，并提高大规模生产的制备技术。
在应用方面，两者可以通过与其他新能源技术相结合，拓展多种应用场景。
总体来说，两种太阳能电池技术在未来都具有重要的发展潜力。
需要深入研究其中的物理和化学机制，并通过工程技术手段来优化器件性能，同时也需要加强两者之间的技术对接和协同创新。
染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理
染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理基本结构：1. 导电玻璃衬底：通常使用透明导电玻璃作为衬底材料，如ITO (indium tin oxide)。
2.透明导电层：透明导电层用于增加电池电子传导性能，并使阳光可以透过它进入电池。
通常使用氧化铟锡（ITO）作为透明导电层。
3.染料敏化薄膜：染料敏化薄膜是DSSC中的核心组件。
这层薄膜涂覆在导电玻璃衬底上，包含一种染料分子，其结构类似于天然叶绿素。
染料分子吸收阳光中的光子并将其转化为电子。
4.电解质：电解质是DSSC中一个重要的组成部分，通常采用液态电解质或固态电解质。
电解质滋润染料敏化薄膜，并在阳光下接受电子并形成离子。
5.对电极：对电极通常是以可导电的材料如铂、碳黑等制成，用于接收电子并将其导出电池。
工作原理：DSSC的工作原理基于光电化学。
首先，太阳光通过透明导电层进入染料敏化薄膜。
染料分子吸收阳光中的光子，并将这些光子的能量转化为电子激发。
这些激发的电子通过导电材料（电解质）传输到对电极上，并导出电池，形成电流。
在染料吸收光子后，电解质中的电子会被阳光中的光子激发并形成离子。
这些离子通过电解质传导到对电极，与来自导电玻璃衬底的电子相结合。
在对电极上，电子于阳离子结合，形成阳极回路，提供了闭合电路以供电子流动。
同时，通过导电玻璃衬底将电子从太阳能电池接出。
由于染料敏化太阳能电池使用廉价材料和简单的制备工艺，具有较低的制造成本。
此外，它还具有较高的光电转换效率，特别是在低光条件下的效果更突出。
然而，由于染料的稳定性及透明导电层的薄膜性能等问题，目前仍需进一步研究和改进。
染料敏化薄膜太阳能电池的研究进展
116科技资讯 SC I EN C E & TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N动力与电气工程随着人类经济社会的不断发展,对能源的需求也不断增多,在过去的工业革命时代以来,尤其是21世纪以来,全球对能源的消耗每年都不断增多,所带来的环境污染问题也不断严重,大气污染、水污染、核污染等时刻都在提醒着人们需要去寻找新的能源利用点。
太阳能作为一种取之不尽的能源,在利用率转化方面效率非常高,而且使用成本低,不会产生任何的污染,在所有的地区几乎都可以得到广泛应用。
将太阳能转化为电能是一种典型的湿化学学科,目前研究不断深入的梁料敏化薄膜为光阳极的太阳能电池,因为其光电转换效率高得到了广泛的关注。
电解质结合薄膜制成固态电池,单色光电转换率达到33%。
本文通过对染料敏化薄膜太阳能电池的原理与构造进行介绍,并对目前的研究进展与成果进行分析,对未来的研究趋势进行一定的预测。
1 染料敏化薄膜太阳能电池的工作基理与构造染料敏化薄膜太阳能电池与以往的晶体硅太阳能电池相比,在很多个方面都存在着巨大的优势,首先它的成本更低,在环保、制作工艺方面更有优势,高光电转换效率更高。
染料敏化薄膜太阳能电池的组成十分简单,只是通过几种部分组合而成。
主要有导电玻璃、半导体氧化薄膜、电解质、敏化材料等组成。
与植物的光合作用相似,光子对于光合膜作用的结果是在合膜内外制造一个电场,制造一种光与电相互变化的环境。
电子通过光合膜内向外进行传送,光子不断作用,形成了内外电流。
首先在结构中有半导体氧化薄膜,当光照在上面时,光照下的染料分子内部的电子将会受到刺激,开始进入到激发状态,变为氧化态,当不稳定的电子快速地进入到相邻导带上时,就可以瞬间在导电玻璃上进行聚集,不断向外电路来输送电路。
对于失去电子的染料,将会从电解质中不断得到补偿,这时电解质内部的氧化-还原把空穴送到对电极,与电子完成一次完整地循环。
电流损失的主要过程是激活态的电子导入半导体氧化薄膜导带。
染料敏化纳米TiO2薄膜太阳能电池的研究进展
来，染料敏化纳 晶二氧化钛太 阳能 电池一 直是 国内外 研 究 的热 门课题 ＿ 染料 敏化 Ｔ Ｏ 纳 晶薄膜太 阳能 电池 生 １ 。 ｉ
产工 艺简单 、 备 电池过程耗 能较 少 、 源 回收周 期短 、 制 能 生 产 成 本 较 低 （ 为 硅 太 阳 能 电 池 的 ｌ ５ １ １ ） 可 弱 仅 ／～ ／０ 、 光 发 电 、 明性 好 、 电转 化 率 不 受 温 度 影 响 等 优 点 。染 透 光 料 敏 化 Ｔ Ｏ 纳 晶 薄 膜 太 阳 能 电 池 有 望 成 为 下 一 代 实 用 ｉ。 性 高 性 能 太 阳 能 电 池 。 本 文 重 点 对 Ｔ Ｏ 的 结 构 和性 能 、 ｉ。 染 料 敏 化 纳 米 Ｔ Ｏ 薄 膜 的 工 作 原 理 和 制 备 方 法 的 研 究 ｉ。 进 展 进行 了 综 述 。
顶 点 或 共 边 组 成 ［， 图 １ 示 。锐 钛 矿 相 结 构 是 由钛 氧 ５如 ］ 所
八 面体共边组成 的四面体结 构 。 而金红石和板钛矿结构是 ［ｉ Ｔ 八 面体共 顶点且共边组成 的稍有畸变 的八 面体结
半导体染料
构 。Ｔ Ｏ 是 一 种 宽禁 带 的半 导 体 材 料 ， 中锐 钛 矿 型 Ｔ Ｏ ｉ。 其 ｉ
溶胶 一 胶法制备 Ｔ Ｏ 薄膜 ， 凝 ｉ 一般先制备溶胶 ， 然后
用 浸 渍 提 拉 、旋 转 涂 层 或 喷 涂 法 将 溶 胶 施 于 经 过 清 洁 处
才 能 得 到 ，因 为 每 种 物 质 的 氧 化 物 还 原 均 在 一 定 条 件 下
才能发生 。一般来说 ， 电位越大 ， 积时所需 电流 密度 过 沉
．． 有 机 钛 化 合 物 为 原 料 ， 钛 酸 正 丁 酯 ＿、 酸 异 丙 酯 、 如 ８钛 ］ 钛 ３２２电 解 质 浓 度 配 比 在 溶 液 中 ， 子 的 浓 度 越 高 ． 对 应 的 电 极 电位 就 越 离 其 酸 四 乙 酯 ［ 。另一 种 以 无 机 钛 化 合 物 为原 料 ， 四 氯 化 钛 １ … 如
染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池
染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池
染料敏化太阳能电池（Dye Sensitised Solar Cells，简称DSSC）和有机太阳能电池（Organic Solar Cells，简称OSC）都是利用有机材料作为光激活层的太阳能电池，
但它们在工作原理、结构和性能上存在一些差异。
染料敏化太阳能电池是一种有机/无机复合电池，主要由吸附染料的纳米多孔半导体
薄膜、电解质和对电极构成。
它的工作原理是染料分子受光激发后，从基态跃迁到激发态，然后染料中处于激发态的电子迅速注入到纳米半导体的导带中，完成载流子的分离。
注入到半导体导带中的电子经外回路至对电极，并在外电路中形成光电流，处于氧化态的电解质在对电极接收电子被还原，氧化态的染料被还原态的电解质还原再生，完成一个循环过程。
染料敏化太阳能电池的光电能量转换率可以达到
11%以上，且其制备过程简单、成本低，因此被认为是一种具有潜力的太阳能电池。
有机太阳能电池则是利用有机材料的光电效应来产生电能的器件。
它的基本结构包括两个电极（阳极和阴极）以及夹在两个电极之间的有机半导体材料。
当太阳光照
射到有机半导体材料上时，会激发产生电子-空穴对，然后电子和空穴分别被两个电
极收集，从而形成光电流。
有机太阳能电池具有轻薄、柔性、可大面积制备等优点，因此在可穿戴设备、建筑集成光伏等领域具有广阔的应用前景。
总的来说，染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池都是利用有机材料的光电效应来产生电能的器件，但它们在结构、工作原理和性能上存在一些差异。
具体选择哪种类型的太阳能电池取决于应用场景、成本、效率等因素。
染料敏化太阳电池
染料敏化太阳电池能源是人类社会最重要的基础资源之一，是与人类的现在与未来密不可分的一种物质，也因此备受人们关注。
在和谐社会与可持续发展的理念下，清洁型能源自然成为了当前各界关注的重点。
其中染料敏化太阳能电池是一种新型的陶瓷基光化学太阳能电池。
染料敏化太阳电池是新型薄膜太阳电池中最具有代表性的一类电池。
染料敏化太阳能电池主要是指以染料敏化的多空纳米结构TiO2 薄膜为光阳极的一类太阳能电池。
它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池。
染料敏化太阳电池的原理：结构：染料敏化太阳电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。
纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物（TiO2、SnO2、ZnO等），聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为电池的负极。
对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。
敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。
正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质。
纳米半导体多孔薄膜。
纳米半导体多孔薄膜是DSC的关键组成部分之一,它不仅影响着染料光敏化剂的吸附、入射光在多孔薄膜内的传输, 还承担了光生电子在膜内收集和传输的媒介作用。
其中对纳米TiO2 多孔薄膜的研究已经有了很大突破。
传统的光阳极材料为Ti02纳米多孔粒子结构。
近年来，为提高电子传输寿命，减少载流子复合，纳米管阵列、纳米线阵列等一维传输结构受到瞩目。
同时，包覆结构已经显现出其明显优势，CaC03包覆Ti02结构可以将转换效率从7．84％提高到9．68％。
光阳极薄膜制备方法方面，丝网印刷已成为大面积薄膜制备方法的主流。
而为了在有机基板上获得低温柔性光阳极材料，压力法、水热法、电泳法、微波法等显现了其低温合成及成膜优势。
染料光敏化剂。
染料光敏化剂也是DSSC的核心部分, 在电池中主要起到了吸收太阳光产生电子的作用, 将直接影响电池的光电转换效率。
宽带隙半导体捕获太阳光的能力很差，无法直接用于太阳能的转换．研究发现，将与宽带隙半导体的导带和价带能量匹配的一些有机染料吸附到半导体表面上，利用有机染料对可见光的强吸收．从而将体系的光谱响应延伸到可见区。
染料敏化太阳能电池Dye-sensitized solar cell
染料敏化太阳能电池在网上找到的染料敏化太阳能电池示意图染料敏化太阳能电池（DSSC, DSC 或DYSC[1])是一种低成本太阳能电池，其属于薄膜太阳能电池的一种[2]。
它是基于在一个光敏阳极和电解质之间形成一个半导体，是一个光电化学系统。
这种电池又称Grätzel电池，在1991年由洛桑联邦理工学院的Grätzel和Brian O'Regan发明[3]。
Grätzel荣获2010年千禧技术发明奖[4]。
因为它所需要的原材料成本比较低，而且制造设备不需要很复杂，所以这种电池在技术上是很有吸引力的。
同样，产品价格显著低于以往的固态电池。
它也可以被设计成柔韧的薄片和大的机械强度，无需保护结构。
虽然其转换效率不是薄膜电池中最好的，理论上其价格/性能比（千瓦时/（平方米·年·美元））足够高，使它们能够与化石燃料发电实现电网平价竞争。
由于染料敏化电池化学稳定性不高，所以其商业应用不太好[5]，欧盟光伏设计联盟预测，到2020年可再生能源发电将得到显著发展。
半导体太阳能电池传统的固态半导体太阳能电池是由两个不同掺杂类型的半导体组成，其中n 型掺杂半导体中含有“额外”电子，p型掺杂半导体缺乏“自由电子”。
当n型半导体与p型半导体接触时，有载流子流动，n型半导体中的自由电子流动到p型半导体中，p型半导体中的空穴流动到n型半导体中，这样在n型和p型半导体接触区间形成一个势垒，把其称为空间电荷区。
硅的这种电子转移势垒约为0.6~0.7 V[6]。
当把其放置在阳光下，太阳光的光子可以激发n型半导体的电子到P型半导体一侧，这一过程称为光致激发。
在硅片上，阳光可以提供足够的能量将能量较低的价带电子激发到能量较高的导带上。
顾名思义，导带中的电子可以自由移动。
当给电池用导线连接一个负载，那么在p型半导体一侧积累的电子通过外部电路流动，电量消耗在外部，这时p型和n型之间的势垒宽度变小，当太阳光继续激发半导体，又使电子由n型流向p型使势垒强度变大，然后p型积累的电子继续通过外部电路流动消耗，上述过程反复进行，就是半导体电池的工作原理。
染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状
第一章染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状1-2法国科学家Henri Becquerel于1839年首次观察到光电转化现象3，但是直到1954年第一个可实用性的半导体太阳能电池的问世，“将太阳能转化成电能”的想法才真正成为现实4。
在太阳能电池的最初发展阶段，所使用的材料一般是在可见区有一定吸收的窄带隙半导体材料，因此这种太阳能电池又称为半导体太阳能电池。
尽管宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力非常差，但将适当的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，也可以将太阳能转化为电能，这种电池就是染料敏化太阳能电池。
1991年，瑞士科学家Grätzel等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池中的转化效率提高到7%5。
从此，染料敏化纳米晶太阳能电池(即Grätzel电池)随之诞生并得以快速发展。
1.1 基本概念1.1.1大气质量数6对一个具体地理位置而言，太阳对地球表面的辐射取决于地球绕太阳的公转与自转、大气层的吸收与反射以及气象条件（阴、晴、雨）等。
距离太阳一个天文单位处，垂直辐射到单位面积上的辐照通量（未进入大气层前）为一常数，称之为太阳常数。
其值为1.338～1.418 kW·m-2，在太阳电池的计算中通常取1.353 kW·m-2。
太阳光穿过大气层到达地球表面，受到大气中各种成分的吸收，经过大气与云层的反射，最后以直射光和漫射光到达地球表面，平均能量约为1kW·m-2。
一旦光子进入大气层，它们就会由于水、二氧化碳、臭氧和其他物质的吸收和散射，使连续的光谱变成谱带。
因此太阳光光谱在不同波长处存在许多尖峰，特别是在红外区域内。
现在通过太阳模拟器，在室内就能够得到模拟太阳光进行试验。
在太阳辐射的光谱中，99%的能量集中在276～4960nm之间。
由于太阳入射角不同，穿过大气层的厚度随之变化，通常用大气质量（air mass，AM）来表示。
并规定，太阳光在大气层外垂直辐照时，大气质量为AM0，太阳入射光与地面的夹角为90º时大气质量为AM1。
什么是染料敏化太阳能电池
kT J sc Voc ln q J dk
q表示完成一个氧化还原循环过程需要转移的电子数目，Jdk指的是暗电 流的电流密度，k指波尔兹曼常数。
影响填充因子的因素
填充因子可以反映太阳能电池的输出性质，是一个重要参 数。太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充系 数就越大，反映到太阳能电池的电流-电压特性曲线上， 曲线就越接近矩形，此时太阳能电池的转换效率就越高。
diffusion I3(anode) 3I (cathode) electrolyte
circuit e- |TiO2 e- |Pt
(2) (3) (4)
(5)
(6)
electron recapture I3 + 2e-(cb) 3I dark reaction recombination TiO2 |S+ + e-(cb) TiO2 |S dark reaction
(1)
injection TiO2 |S* TiO2 |S+ + e-(cb) regeneration TiO2 |2S+ + 3I- TiO |2S + I 2 3 anode deoxidizing reaction I3 + 2e-(Pt) 3I cathode
填充因子 0.26 0.483
效率 （%） 1.47 4.51
存在问题
1. TiO2与空穴传输层之间的界面电荷复合率高;
电池填充因子较低
2. 空穴传输材料本身的导电率很低；电 Nhomakorabea光电流较低
3. 电解质与电极纳米粒子之间的接触性能差； 影响界面上的电荷传质速度，降低填充因子
染料敏化太阳能电池的介绍
染料敏化太阳能电池的介绍电气与电子工程学院信息1301班1131200116 马文栋十六周的新能源课程让我对新兴能源有了一定的了解，现在让我来介绍一下染料敏华电池。
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池。
它是继多晶硅及薄膜太阳能电池之后，第三代太阳能电池产品——染料敏化太阳能电池产业化开发取得突破。
染料敏化太阳能电池是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。
与传统太阳能电池相比，它的最大优势在于其制作工艺简单、不需昂贵的设备和高洁净度的厂房设施，制作成本仅为硅太阳能电池的1/10~1/5。
该电池使用的纳米二氧化钛、N3染料、电解质等材料价格便宜且环保无污染，同时它对光线的要求相对不那么严格，即使在比较弱的光线照射下也能工作。
敏化染料太阳能电池主要优势是：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。
自从1991年瑞士洛桑高工领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。
敏化染料太阳能电池简称DSC, 主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。
纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物(TiO2、SnO2、等)，聚集在有透明导电膜的玻璃板上作为DSC的负极。
对电极作为还原催化剂，通常在带有透明导电膜的玻璃上镀上铂。
敏化染料吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上。
正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，最常用的是I3-/I-。
敏化染料太阳能电池发电的原理是：（1）染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；（2）处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；（3）电子扩散至导电基底，后流入外电路中；（4）处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；（5）氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环；（6）和（7）分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合；敏化染料太阳能电池工作原理：染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt 对电极组成。
染料敏化太阳能电池原理
染料敏化太阳能电池原理1.光吸收：染料敏化太阳能电池利用染料吸收光线，将光子能量转化为电子激发。
染料通常由具有较高光吸收率的有机分子组成，可以吸收一定波长范围内的光线。
2.电荷分离：吸收光线后，染料分子激发产生电子-空穴对。
电子被激发到染料分子的共轭π电子体系中，形成激发态染料阴离子；空穴则留在染料分子上。
激发态染料阴离子具有较长的寿命，可以脱离染料，游离到电解质中。
3.电流输出：电子从染料分子的共轭π电子体系中传输到电解质溶液中的I3-离子上，生成I-离子。
在电解质中增加了I-离子的浓度，促进了电荷传输。
电子从I-离子上传输到导电玻璃（如氧化锡涂层的导电玻璃）上，形成电流。
这个过程是由电解质中的氧化还原反应实现的。
染料敏化太阳能电池的整体结构包括透明导电玻璃、电解质、染料敏化薄膜和反电极。
透明导电玻璃通常是氧化锡涂层的导电玻璃，用于收集电池输出的电流。
电解质提供了离子的传输路径，并进行电子传输和电荷均衡。
染料敏化薄膜涂覆在电解质上，用于吸收光线并产生电子激发。
反电极位于染料敏化薄膜的另一侧，通过电解质与导电玻璃相连接，形成电池的闭路。
整个过程涉及到光吸收、光电转换、电荷分离、电荷传输和电流输出等多个物理和化学过程。
染料敏化太阳能电池的优势是可以利用广谱的光线，包括可见光和红外光，以及光的反射和散射，提高光的利用率。
此外，染料敏化太阳能电池可以通过调整染料的吸收谱来适应不同光照条件，具有较高的光电转换效率。
总结起来，染料敏化太阳能电池依靠染料吸收光线，并利用电解质和导电玻璃之间的氧化还原反应，将光能转化为电能。
它具有许多优点，可以成为太阳能电池技术的发展方向之一。
染料敏化太阳能电池的概述
染料敏化太阳能电池的概述染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cells，简称DSSC）全称为“染料敏化纳米薄膜太阳能电池”，由瑞士洛桑高等理工学院（EPFL）Gratzel教授于1991年取得突破性进展，立即受到国际上广泛的关注和重视，DSSC主要是指以染料敏化多孔纳米结构TiO2薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池，另外也有用ZnO、SnO2等作为TiO2薄膜替代材料的光电化学电池。
1.1染料敏化太阳能电池优点它是仿照植物叶绿素光合作用原理的一种太阳能电池。
由于染料敏化太阳能电池中使用了有机染料，其功能就如同树叶中的叶绿素，在太阳光的照射下，易产生光生电子，而纳晶TiO2薄膜就相当于磷酸类脂膜，因此我们形象的把这种太阳能电池称为人造树叶。
DSSC 与传统的太阳电池相比有以下一些优势：（1）寿命长：使用寿命可达15-20年；（2）结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；（3）制备电池耗能较少，能源回收周期短；（4）生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每瓦的电池成本在10元以内；（5）生产过程中无毒无污染；纳米晶染料敏化太阳能电池有着十分广阔的产业化前景和应用前景，相信在不久的将来，DSSC将会走进我们的生活。
因此吸引了各国众多科学家与企业大力进行研究和开发，近年来获得了飞速发展。
1.2染料敏化太阳能电池（DSSC）的結构组成染料敏化太阳能电池包括四部分：纳米氧化物半导体多孔膜（TiO2，ZnO），含有氧化还原电对的电解液（I-/I3-），作为敏化剂的染料（如N719/N3）以及对电极（如Pt）。
除此之外DSSC还需要衬底材料，通常为氟掺杂的氧化锡导电玻璃（FTO导电玻璃）。
该实验中，纳米氧化物半导体多孔膜为ZnO，敏化剂用N719染料。
（1）FTO透明导电玻璃FTO导电玻璃为掺杂氟的SnO2透明导电玻璃（SnO2：F），简称为FTO。
FTO玻璃被作为ITO导电玻璃的替换用品被开发利用，可被广泛用于液晶显示屏，它是染料敏化太阳能电池的TiO2/ZnO薄膜的载体，同时也是光阳极电子的传导器和对电极上电子的传导器和对电极上电子的收集器。
染料敏化太阳能电池原理
染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的电池结构和工作机理DSSC由镀有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶半导体薄膜、染料光敏化剂电解质溶液及透明对电极等几部分构成（图1-1），其工作原理如图1-2所示，其中，E cb为半导体的导带边，E vb半导体的价带边，S*、S0和S 分别为染料的激发态、基态和氧化态；Red和Ox为电解质中的氧化还原电对。
Fig. 1-1 Structure representation of nanocrystalline TiO2 dye-sensitized solar cellD、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。
图1-1 染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的结构示意图D、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。
Fig. 1-2 Working principle of nanocrystalline TiO2 dye-sensitized solar cell 图1-2 染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的工作原理[3]1）当能量低于半导体的禁带宽度且大于染料分子特征吸收波长的入射光（hν）照射到电极上时，吸附在电极表面的基态染料分子（D）中的电子受激跃迁至激发态。
D + hν→D* （染料激发）（1-1）2）激发态染料分子(D*)将电子注入到半导体导带中，此时染料分子自身转变氧化态。
D* →D+ + e- →E cb（1-2）3）处于氧化态的染料分子（D+）则通过电解质（I-/I3-）溶液中的电子给体（I-），自身恢复为还原态，使染料分子得到再生。
3I- + 2D+ → 2D + I3-（染料还原）（1-3）4）注入到半导体导带中的电子与氧化态的染料发生复合反应：D+ + e- →D（电子复合）（1-4）5）注入半导体导带的电子被收集到导电基片，并通过外电路流向对电极，形成电流。
6）注入到半导体导带中的电子与电解液中的I3-发生复合反应：I3- + 2e- →3I-（暗电流）（1-5）7）电解质溶液中的电子供体I-提供电子后成为I3-，扩散到对电极，在电极表面得到电子被还原：I3- + 2e- →3I-（电解质被还原）（1-6）其中，反应（1-4）的反应速率越小，电子复合的机会越小，电子注入的效率就越高；反应（1-6）是造成电流损失的主要原因。
染料敏化太阳能电池
染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell，缩写为DSSC、DSC或DYSC）是一种廉价的薄膜太阳能电池。
它是基于由光敏电极和电解质构成的半导体，是一个电气化学系统。
这种电池的一种较新的版本——也叫做格雷策尔电池，是由米夏埃尔·格雷策尔（Michael Grätzel）和布赖恩·奥勒冈1991年在洛桑联邦理工学院发明的。
因为它可以用低廉的材料制成(实际中已经证明它很难摆脱对于铂和钌的限制，并且它的液态的电极对于各种天气的适应也是一个挑战），不需要用精细的仪器来制造，这种电池在技术上很有吸引力。
而且，其制造过程比以前的电晶体电池要便宜。
它可以被制成软片，机械强度大，不需要特别保护来防止树枝的撞击及冰雹。
虽然它的能量转换效率比最好的薄膜电池要低，但理论上它们的性价比已足够高，在完成市电平价的情况下可以与化石燃料相提并论。
结构在格雷策尔和奥勒冈的设计方案中，电池有3个主部分。
顶端是以掺氟的二氧化锡（SnO2:F）制成的透明阳极，置于一平板（一般是玻璃制）背面。
这个可传导平板背面有一薄层二氧化钛（TiO2），组成一个高度多孔的结构，有着很高的表面面积。
TiO2只吸收一小部分太阳光子（紫外辐射的光子）。
这块平板置于由光敏的钌-多吡啶染料（亦称分子感光剂）和溶剂的混合物中。
将薄膜在染料溶液中浸湿后，染料薄膜会与TiO2层形成共价键。
产业目前全世界宣称投入者众多，但迄今无产业尚未发展完整；即便目前实验室效率达15%在生产上仍有不少限制与突破点需克服；台湾DSSC产业链完整，永光、长兴、台塑、福盈及造能科技布局产业上下游完整。
优势其主要优势是：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。
自从1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上取得突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。
染料敏化太阳能电池的原理
染料敏化太阳能电池的原理染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，简称DSSCs）是一种新型的光电转换器件，具有高效率、低成本、易制备等优点，因此备受关注。
其工作原理主要包括光吸收、电子传输和电荷注入等过程。
下面将详细介绍染料敏化太阳能电池的原理。
1. 光吸收过程染料敏化太阳能电池的光吸收过程是其工作的第一步。
在DSSCs 中，染料分子起着吸收光子的作用。
染料分子通常吸收可见光范围内的光子，将光子激发至激发态。
常用的染料有吲哚染料、酞菁染料等。
当光子被染料吸收后，染料分子发生跃迁，电子从基态跃迁至激发态。
2. 电子传输过程在光吸收后，染料分子中的电子被激发至激发态，形成激子。
激子在染料分子内部扩散，最终将电子注入到TiO2（二氧化钛）纳米晶体表面。
TiO2作为电子传输的介质，具有良好的导电性和光稳定性，能够有效地传输电子。
3. 电荷注入过程当激子将电子注入到TiO2纳米晶体表面时，电子被注入到TiO2的导带中，形成电子空穴对。
同时，染料分子中失去电子的正离子被还原，形成还原态染料。
在这一过程中，电子从TiO2传输至电解质中，形成电子流，从而产生电流。
而正离子则通过电解质回迁至染料分子，完成电荷平衡。
4. 电子回流过程在DSSCs中，电子传输至电解质后，需要通过外部电路回流至染料分子，以维持电荷平衡。
外部电路中连接有负载，电子在外部电路中流动，产生电流，从而实现光能转化为电能的过程。
电子回流的速率直接影响DSSCs的光电转换效率。
综上所述，染料敏化太阳能电池的工作原理主要包括光吸收、电子传输、电荷注入和电子回流等过程。
通过这些过程，DSSCs能够将太阳能转化为电能，实现光电转换。
随着对染料敏化太阳能电池原理的深入研究，其性能不断提升，为可再生能源领域的发展带来新的希望。
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。 Zhao 等人
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采用电喷雾方法制备了具有三维支化内部通道的 T i O2 膜, 并用于 DSSC 电池中。林原研究组 在 T iO2 浆 料中加入不同粒径的聚苯乙烯小球, 并将这种大孔结 构薄膜应用到聚合物和离子液体 DSSC 中。这些结构 能减少电子在薄膜中的传输路径, 降低复合几率, 且 具有更大的孔隙率, 有利于电解质中空穴材料的传 输。 近几年来, 柔性染料敏化太阳能电池的制备逐渐
基金项目: 军械工程学院科学基金资助 作者简介 : 周娴 ( 1981 ), 女 , 讲师 , 硕 士, 从 事太阳能 电池方面 的研究。 T e: l 013831123502 , E m ai: l zhouxian03 @ 163 com
使用氧化锌模板通过液态沉淀法将 T i O2
纳米管阵列沉淀到掺杂氟的二氧化锡透明导电玻璃氧 化物上。在制造电池之前, 通过对金属氧化物作表面
[ 7]
DSSC 主要由导电玻璃、纳米晶氧化半导体薄膜 (通常是纳米晶 T iO2 薄膜 )、光敏染料、电解质和对 电极组成。图 1 为 DSSC 的工作原理示意图。在导电 玻璃上制备一层多孔的纳米晶 T i O2 薄膜, 再将染料 分子吸附在多孔膜中, 这就构成了阳极, 它是电池体 系的核心部分。阴极 (对电极 ) 一ng W on K i m 等人将丙烯腈 ( AN ) 和丙烯酸 , 所组装的 DSSC 在 100mW / cm 的光强下, 开
2 2
甲酯 ( MMA ) 共 聚成 膜, 然后 浸泡 在液态 电解 质
[ 16]
路电压为 0 72 V, 短路电流为 6 27 mA / cm , 光电转 换效率为 2 4 % 。戴松元领导的研究小组采用偏氟乙 烯和六氟丙稀的共聚物 P ( VDF H FP ) 凝胶液态电解 质
[ 11]
验结果表明 , 电解质的浓度对电导率有较大影响。当 加入的 L iC l O4 质量分数为 0 9 % 时, 聚丙烯酸凝胶的 电导率达到最大 , 为 4 83 m S / c m; 另外 , 以吸附了 ( KI+ I2 ) 的聚合物 /L iC l O4 和聚合物 /NaC l为准固体 电解质的太阳能电池在 60 mW / cm 的模拟光照下, 开路电压分别为 0 52 V 和 0 40 V, 短路电流 分别 91 5 A / cm 和 75 8 A / cm , 填充因子分别为 0 63 和 0 68 , 光电转换效率分别为 0 06 % 和 0 04 % 。表 明该电池有较好的光电转换性能。 为了提高聚合物凝胶电解质的电导率和机械性 能, 人们通常采用两种或多种高分子单体共聚的方 法, 并且在制 备时加 入起 交联 或增 塑作用 的小 分 子 中
9
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染料与染色
DYESTU FFS AND COLORAT I ON
第 47 卷第 4期
修正以增强电子注入, 提高太阳能电池的性能。实验 表明在 AM 1 . 5 的太阳光照明下, 电池装置的光电转 化效率为 0 656 % 。近几年来 , 随着纳米技术的发展 , 采用各种特殊结构的纳米 T i O2 薄膜成为了一个研究 热点 , 如纳米棒、纳米管及阵列等
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。实验结果表明, 准固态染料敏化纳米晶 T i O2
2
太阳能电池的开路电压、短路电流、填充因子分别达 到 0 70 V、 15 52 mA / cm 、 0 62 , 光电转化效 率为 6 61 % , 当凝胶剂的加入量为 10 % 时, 电池效率比液 态电解质低约 0 6 %。 3 2 导电高分子聚合物电解质 导电高分子聚合物作为一种空穴传输材料具有优 良的光电特性、机械加工性、电化学氧化还原活性, 以及相对高的离子迁移率和较易固化等特性 , 近年来 已经成为人们研究的热点。应用于 DSSC 固态电解质
染料与染色 V o l 47 N o 4
周娴, 等 染料敏化纳米薄膜太阳能电池
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2010 年 8月
的导电高分子聚合物, 必须满足以下条件 聚合反应必须能在碘存在的情况下发生 ; 反应不会产生降低电池性能的副产物; 应必须在染料不发生解吸附的温度下发生; 池的性能。
:
( 1) ( 2)
敏染料。它们在可见光区有较宽的吸收光谱 , 良好的 氧化还原性和激发反应活性, 激发态和氧化态寿命 长。 2008年 Chen 等
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等合成了 5 种新型的
1 醋酸乙烯 3 烷基咪唑碘化物离子液态电解质。虽然 离子液态电解质性能优于有机溶剂电解质, 但仍然存 在着诸如封装困难, 易泄露等问题, 从而给染料敏化 纳米晶 T i O2 太阳能电池的实际应用带来困难。为解 决这些问题, 人们已经逐渐开始关注固态和准固态电 解质 , 并取得了一定的进展。其中, 高分子聚合物作 为固态或准固态电解质是主要的研究方向之一 , 包括 高分子聚合物凝胶电解质和导电高分子聚合物固态电 解质两类。 3 1 高分子聚合物凝胶电解质 当高分子聚合物添加到液态电解质中时, 由化学
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聚合反应能在有水等杂质的情况下开始和完成;
( 3) 聚合 ( 4) 聚合反 ( 5) 聚
报道了采用 N 取代的噻吩咔
唑来修饰联吡啶, 通过改变咔唑上的碳链取代基得到 了 CYC B6S 和 CYC B6L ( 图 2) 两个新型钌配合物 光敏染料。通过光伏性能的测试发现, 在 AM 1 . 5 , 100 mw / cm 的模拟光下, CYC B6S 和 CYC B6L 分别 得到了 9 7 %和 9 0 % 的光电转换效率, 均高于同样 条件下 N3 染料的效率 ( 8 5 % )。
。
魏月琳等将交联聚丙烯酸颗粒浸入到电解质溶液 中, 以吸附了 ( K I+ I Cl O4 和聚合物 / 2 ) 的聚合物 /L i NaC l为准固体电解质组装成 DSSC
[ 14]
。交联聚丙烯酸
是一种交联密度较低的立体网状结构, 其分子中包含
成为人们研究的一个热点, 它具有重量轻、挠性好、 有大量的极性基团羟基、羧基, 作为凝胶剂能较好地 O2 和染料分子相结合, 有利于电子的传递。实 抗冲击、成本低、可进行各种形状或表面设计等优 与 T i 点, 可采用成卷连续生产、快速涂布等技术, 便于大 面积生产, 降低生产成本, 具有更强的竞争力。肖尧 明等人
3 电解质体系
DSSC 中电解质的关键作用是将电子传输给氧化 态的染料分子, 并将空穴传输到对电极。传统的有机 溶剂液态电解质存在易挥发的缺点, 近些年来发展起 来离子液态电解质克服了这个缺点, 它具有非常小的 饱和蒸气压、不挥发、无色、无嗅; 较大的稳定温度 范围 , 较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗 口等优点。 2008 年, W ang
-
-
。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再 , 利用太阳能发电是人类解决能源危机和环
境污染的重要途径。已经得到商业化的晶体硅太阳能 , 因其制备工艺复杂, 材料要求苛刻 , 成本高
[ 4]
的缺点, 使其应用难以得到普及。 1991 年, 瑞士科 学家 Gratzel等 首次报道了一种染料敏化的纳米薄 膜太 阳能 电 池 ( Dye Sensitized Solar Ce lls , DSSC ) , 这种电池与传统的晶体硅太阳能电池相比, 有低成 本、环保、制作工艺简单以及高光电转换效率等优
第 47 卷第 4 期 2010年 8 月 染料与颜料
染料与染色 DYESTUFFS AND CO LORAT ION
V o l 47 N o 4 August 2010
染料敏化纳米薄膜太阳能电池
周娴 潘华锦 050003) (军械工程学院基础部理化教研室, 石家庄
摘要 : 本文综述了近几年来染料敏化纳米薄膜太阳能电池的研究进展 。 简要介绍了染料敏化纳米晶太阳能电池的结 构和工作原理 , 重点介绍了电池各组成部分的最新研究成果及现状 , 包括纳米薄膜 、 电解质体系、 染料敏化剂 、 对 电极和上转换发光层 。其中 , 电解质体系部分主要介绍了高分子聚合物凝胶电解质和导电高分子聚合物固态电解质 的研究进展。 最后讨论了当前研究中存在的问题 , 并提出了提高电池光电转换效率的设想与对策 , 对未来的发展方 向进行了展望 。 关键词 : 染料敏化太阳能电池 ; 光电转换效率 ; 染料敏化剂 ; 电解质 中图分类号: TQ619 ; O 631 文献标识码 : A 文章编号 : 1672- 1179( 2010) 04- 09- 08
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采用水热法制备了 T i O2 浆体, 并采用刮涂
2
法低温制备了柔性染料敏化太阳能电池。经过优化 , 在 100 mW / c m 模拟太阳光照下, 光电转换效率达到 3 4 % 。所制备的 T i O2 柔性膜牢固、无裂缝、重复性 好, 是一种制备柔性太阳能电池薄膜行之有效的好方 法。
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键交联形成的三维空间网络达到了固化液态电解质的 目的, 从而形成一种机械性能介于液态电解质与固态 电解质之间的凝胶结构 , 通常称为准固态电解质。这 种结构相对稳定得多, 而且通常是热不可逆性的。目 前使用的高分子聚合物主要有聚氧化乙烯 ( PEO )、 聚乙烯吡啶、聚丙烯腈 ( PAN )、聚甲基丙烯酸甲酯 ( PMMA)、偏氟乙烯和六氟丙稀的共聚物 P ( VDF H FP )、聚环氧丙烷、环氧乙烷和环氯丙烷的共聚物 等
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合反应无需引发剂, 以防止引发剂的分解产物降低电 由于高分子聚合物电解质具有高结晶性, 从而降 低了电极与电解质的界面接触 , 为了解决这个问题 , 人们采用了添加一定量的无机纳米颗粒的方法。 Ster giopoulos等
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将 T iO2 纳米颗粒、 I / I3 氧化还原电
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对和聚环氧乙烷 ( PEO ) 依次加入乙腈中分散均匀 , 加热使乙腈溶剂挥发, 最终得到了 PEO /T i O2 / I / I3 体系固态电解质 , 组装成的染料敏化太阳能电池的光 电转换效率为 4 2 % 。这种电解质体系也叫固态复合 电解质。